關鍵詞：焊接應力和變形熱彈塑性分析承載力
鋼結構成為目前應用日益普遍的一種結構形式，多用於大跨度公共建築、工業廠房和一些對建築空間、建築體型、建築功能有特殊要求的建築物和構築物中。焊接已成為鋼結構製作和施工過程重要的連線方式，目前應用最多的是手工電弧焊和自動（或半自動）埋弧焊。它們均利用電弧產生的熱能使連線處的焊件材料和焊條（或焊絲）熔化使兩焊件連成一體。
焊接時焊縫及周圍產生區域性高溫的不均勻溫度場，高溫部分鋼材要求向外膨脹伸長但受到鄰近鋼材的約束形成焊接應力，焊接應力較高的部位將達到鋼材屈服強度而發生塑性變形稱為焊接變形。焊接應力和變形對結構承載力影響程度對於工程經濟至關重要。
一、焊接應力和變形產生的原因
（一）焊接應力產生原因
焊接應力按作用方向分為平行於焊縫長度方向的縱向應力、垂直於焊縫軸線的橫向應力和厚度方向應力。在焊接過程中，鋼板中會產生不均勻的溫度場，從而產生不均勻的膨脹。在靠近焊縫一側高溫區受到熱壓力作用，而在遠離焊縫一側受到熱拉應力的作用；焊接完畢，焊件自然冷卻，在近焊縫區段產生拉應力，在稍遠區段產生壓應力稱為縱向應力。
橫向焊接應力可分為焊縫的縱向和橫向兩個方向收縮應力。在焊接過程中，兩塊板沿焊縫長度方向中部產生橫向拉應力，兩端產生壓應力。冷卻時，焊縫冷卻時間不同，先焊的先冷卻並產生強度，約束了後焊的焊縫在橫向的膨脹。
後焊的焊縫冷卻時，橫向收縮受到阻止，而產生橫向拉應力，而先焊部分則產生橫向壓應力。厚度方向的焊接應力常發生焊縫需要多層焊中，溫度沿厚度方向分布不均，表面先冷卻，中間後冷卻，中間部分收縮時，受到表面已凝固焊縫阻止，中間層受拉，而外層受壓。
（二）焊接變形產生原因
焊接變形分結構部分發生變形的區域性變形和整個結構的形狀或尺寸發生變化的整體變形。焊接變形產生的原因很多，不均勻的區域性加熱和冷卻是最主要原因，焊件區域性被加熱到熔化狀態，形成了焊件上溫度的不均勻分布區，使焊件出現不均勻的熱膨脹，熱膨脹受到周圍金屬的阻礙不能自由膨脹而受到壓應力，周圍的金屬則受到拉應力。焊件冷卻時，由於加熱的金屬在加熱時已產生了壓縮的塑性變形，所以，最後的長度要比未被加熱金屬的長度短些。
二、焊接應力和變形計算
（一）焊接應力和變形計算理論
焊接應力和變形計算是以焊接溫度場的分析為基礎，同時考慮焊接區溫度場對應力應變場的影響。目前，研究焊接應力和變形的理論很多，如熱彈塑性分析、固有應變法、粘彈塑性分析、考慮相變與熱應力禍合效應等。熱彈塑性分析是在焊接熱迴圈過程中通過一步步跟蹤熱應變來計算熱應力和應變的方法。
採用這種方法可以詳盡地掌握焊接應力和變形的產生及發展過程，用有限元法處理熱彈塑性問題，本質上是將非線性的應力應變關係按載入過程逐漸化為線性問題處理。因焊接過程中並無外力作用，所以載荷項實際上是由於溫度變化而引起的，這樣處理的方法是將從溫度場分析分成若干增量載荷，逐漸加到結構上求解。
（二）有限元模型
通過依據上述熱彈塑性分析方法，使用大型有限元軟體ansys建立有限元模型，選取與工程相適用的單元型別，定義與工程實際相同的材料屬性，劃分合理的單元網格，適當處理荷載載入和邊界。而這其中最關鍵的就是載荷和邊界處理。
1．載荷的施加。對於焊接熱源載荷，在ansys中一般以熱流密度或生熱率兩種形式施加。對於表面堆焊問題，忽略熔覆金屬的填充作用時，將熱源以熱流密度的形式施加載荷，可得到較滿意的計算結果。
但對於開坡口的焊縫或填角焊縫等，應將熱源作為焊縫單元內部生熱處理，以生熱率的形式施加載荷。
2．邊界條件的處理。焊接溫度場的計算屬於瞬態熱分析，需設定初始溫度，其值取決於焊接過程中的介質溫度，在空氣中焊接時，初始溫度值應設為室溫。焊件與周圍介質的對流換熱通常會損失一部分熱量，但在空氣流動較小的情況下，對流換熱係數很小，可忽略不計。
三、焊接應力分析
取焊縫縱向中線和橫向上的一些點的焊接應力，可以很清晰地得到焊接應力沿縱向、橫向的分布。在焊縫內部，熱量以熱傳導的方式由高溫區（焊縫中心區域）向低溫區（遠離焊縫中心區域）；在焊縫表面，熱量主要以熱輻射和空氣對流的方式散失，焊縫中心區域熱量散失最慢，兩端散熱較快的區域先形成強度，並對中心區域起約束作用，故焊縫兩端的焊接應力應與中心區域相反，在梁柱節點中，框架自身的剛度對焊縫有很強的約束作用，故焊縫應力為拉應力。縱向焊接應力在焊縫中心最大為10mpa，並由焊縫中心向兩端遞減為1.
25mpa；焊縫中心節點等效應力隨著溫度劇烈變化，節點隨著溫度的公升高體積膨脹產生壓應力；橫向焊接應力最大為7.1mpa，最小為3.4mpa。
四、焊接殘餘應力和殘餘變形對純框架承載力的影響
將殘餘應力計算結果應用於本節，分析殘餘應力和殘餘變形對結構承載力的影響。對六層二跨框架分別模擬考慮焊接殘餘應力、殘餘變形和不考慮焊接殘餘應力、殘餘變形兩種情況，求得其極限承載力和位移。
（一）框架結構的荷載和約束
1．約束:柱腳為固端，即約束柱腳所有的自由度。為了防止框架平面外失穩約束所有節點平面外位移。
2．焊接殘餘應力和變形：焊接進行了有限元模擬分析，得到了焊接殘餘應力和變形的分布形式。將殘餘應力等效為積分點上的集中荷載，殘餘變形則以初位移的方式施加在梁兩端。
3．豎向荷載:豎向荷載主要為樓面的自重和活荷載.
（二）計算結果分析
表1六層二跨框架極限承載力及位移對比表
初始應力彈性極限承載力彈性極限位移塑性極限承載力塑性極限位移
不考慮焊接應力 36.63 38.07 112.5 202.05
考慮焊接應力 36.09 39.78 113.31 208.53
影響率 1.50% 4.50% 0.10% 3.20%
彈性階段考慮焊接應力與否其承載力相差較小，考慮焊接應力框架承載力要略低。到塑性階段時，其極限承載力幾乎相等，即此時殘餘應力對結構承載力的影響可忽略不計。但是否考慮殘餘應力對彈性極限位移和塑性極限位移均存在較大的影響，而且對彈性階段影響更大。
五、結語
焊接應力在彈性階段對框架承載力的影響較大，在塑性承載力影響較小。焊接應力在梁柱連線處焊接殘餘應力以縱向拉應力為主，殘餘應力使構件在結構未受外力時就有較高的內應力，故結構在承受較小外荷載時就達到屈服，使其彈性極限應力降低。隨著荷載繼續增加框架進入塑性階段，框架部分構件達到屈服，出現內力重分布，殘餘應力對框架承載力的影響越來越小。
所以在鋼結構設計過程中，根據不同的使用功能決定是否考慮焊接應力和變形。
參考文獻
[1]王肇民. 建築鋼結構設計[m]．同濟大學出版社,2001.
[2]舒興平. 鋼框架結構彈塑性有限變形理論分析及試驗研究[d]. 湖南大學圖書館,1992.
[3]趙海燕,鹿安理,史清宇,等. 焊接結構cae中數值模擬技術的實現[j]．中國機械工程,2000,11（7）.
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