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体育场罩棚焊接应力与温差变形的有限元分析

高海龙  
【摘要】:现代大型建筑的不断出现,对建筑钢结构的技术和质量提出了很高的要求。在现场施工中,焊接残余应力是影响结构质量的重要因素;在结构服役过程中,控制结构的变形是保证其正常工作的必要条件。因此,如何降低大跨度钢结构的焊接残余应力、预测和控制结构的变形具有重要意义。 本文以体育场罩棚相贯节点焊接残余应力和环境温差对体育场罩棚变形的影响作为研究内容,根据传热学原理和热弹塑性理论,利用大型非线性有限元分析软件ABAQUS,建立了体育场罩棚相贯节点焊接模型和体育场罩棚的三维有限元分析模型,计算了钢管相贯线焊接的温度场,研究了等效残余应力和等效应变的分布规律;比较分析了不同的工艺参数对焊接等效残余应力的影响,并给出了更好的工艺方案;计算了体育场罩棚在环境温差作用下竖向位移的变化情况。 通过计算得出:焊接一定时间后,高温区形状趋于稳定,整体向前移动;焊缝的等效残余应力很大,可以超过材料的屈服极限。沿焊缝周向,等效残余应力保持在屈服极限附近,焊接引弧点附近等效残余应力有波动;沿焊缝径向,焊缝中部等效残余应力出现峰值,焊缝附近钢管的等效残余应力降幅较快;在焊缝深度上,单层焊接等效残余应力从上表面到底部逐渐减小。等效残余应变分布比较稳定,主要分布在焊缝上,沿焊缝周向均匀分布,焊缝中部应变比较大,越到两边越小,逐渐降为零。焊接速度和引弧点的位置是影响焊接残余应力的两个重要因素。比较各个焊接方案的残余应力得出,从两管相交线的侧面中间位置作为引弧位置,预热到190℃以上,以8.267×109J/m3的热量和6mm/s的焊接速度施焊,能使焊接后的残余应力进一步降低。在环境温差的作用下,体育场罩棚结构的竖向位移变化较大;温度升高时,两组主拱向上突起,主拱整体上升;温度降低时,两组主拱收缩,主拱整体下降;结构在降温时的竖向位移变化比升温时的大,降温时位移变化最大值大约是升温时的2倍。


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