大跨度钢-混凝土连续组合箱梁桥焊接变形数值模拟研究

发布时间：2017-08-25 02:10

  本文关键词：大跨度钢-混凝土连续组合箱梁桥焊接变形数值模拟研究

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【摘要】：焊接作为桥梁钢结构施工中必不可少的环节正在受到越来越多的关注,残余应力与残余变形相互影响着桥梁结构线形和内力。焊接变形和残余应力的基本理论并不复杂,但是焊接是一个复杂多变的过程,以电弧焊为例,它是电弧投入的热流、金属融化和凝固以及收缩引起的变形和残余应力生成等因素的复合作用,因此定量地预测焊接变形和残余应力非常困难。本文依托港珠澳大桥CB05标段浅水区非通航孔桥,对钢-混组合结构中的钢主梁中的板单元的焊接变形作了分析研究。首先热源模型一直是影响焊接残余变形和残余应力数值分析的难点,本文就此问题进行了热源的描述以及选取热源的理论方法,以达到运用最优的方法和最理想的分析时间来进行焊接残余变形的数值模拟。在对比了已有的理论分析方法后,进一步简化了分析热源的模型;并且采用固有应变的方法,即残余应力及残余变形的“生成源”,进行了固有应变与残余应力和变形的互逆推算,此种方法可以运用于试验过程以达到节约分析时间和简化模型的目的。其次,运用由上海交通大学和日本大阪大学共同开发的AWSD(Analysis of Welding Structure Deformation)有限元计算软件对钢主梁中的平板对接焊接的温度场以及热弹塑性力学性能进行了分析,得到了平板对接焊接时的屈服温度以及残余变形和残余应力。同时,又运用了ANSYS有限元分析了钢主梁底板加劲肋焊接时对钢主梁的焊后变形及内力影响,通过模型数值分析可以得到最优化的方法来改进实际施工中的底板加劲肋焊接工艺。通过理论的模型分析之后,对在中山梁厂钢主梁预制过程中采用的焊接施工变形控制措施进行了研究,分析了钢主梁大节段线形及长度精度控制技术的实施过程。最后,对实测温差情况下的组合梁大节段在架设时的焊接时机作了研究,分析了基于现场实测温度模式下的梁转角,进行数据拟合,与英国规范和中国公路规范进行比较分析后知,三种模式下的大节段吊装时的焊接端口在不同的温度梯度下的梁端夹角变化规律趋势基本相同,中国公路桥涵规范与英国BS5400接近于线形变化,而现场实测温度拟合的温度梯度曲线的变化规律较复杂。不同大节段的连接时机应选择在不同的顶底板温差以及不同时间段进行焊接施工,合理控制各端口的作业温差上限值及选择适合的焊接时间段,能保证钢结构桥梁节段焊接作业的顺利进行。
【关键词】：钢-混组合梁 槽型钢箱梁 焊接变形 数值模拟
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U445.583;TG404
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-21
• 1.1 选题背景及意义10-11
• 1.2 焊接数值模拟技术的发展现状11-15
• 1.2.1 动态可逆自适应网格生成技术11-12
• 1.2.2 并行计算在焊接仿真过程中的应用12-13
• 1.2.3 分段移动热源13-14
• 1.2.4 对材料高温力学性能参数进行合理假设以提高计算效率14-15
• 1.2.5 相似理论在焊接变形数值模拟中的应用15
• 1.3 焊接变形数值模拟的难点15-16
• 1.4 焊接变形的影响因素和控制方法16-18
• 1.4.1 影响焊接变形的主要因素16-17
• 1.4.2 针对焊接变形的控制方法17-18
• 1.5 连续组合箱梁桥结构焊接变形及数值仿真存在的问题18-19
• 1.6 本文主要研究内容19-21
• 第二章 分段移动热源模型及焊接数值仿真算法原理21-35
• 2.1 分段移动热源模型的原理21-22
• 2.2 分段移动热源的数学模型22-24
• 2.3 用固有应变再现残余应力以及固有应变的逆推算24-26
• 2.3.1 用固有应变再现残余应力24-25
• 2.3.2 固有应变的逆推算25-26
• 2.4 简单热传导问题的解析法26-31
• 2.4.1 热传导解析法的推导26-30
• 2.4.2 求厚板热传导最佳时间增量实例30-31
• 2.5 焊接热弹塑性有限元分析理论31-33
• 2.6 本章小结33-35
• 第三章 组合梁中平板对接焊接变形数值模拟35-53
• 3.1 焊接热传导计算35-41
• 3.1.1 计算目的、对象和条件35
• 3.1.2 模型生成过程概述35-38
• 3.1.3 计算结果分析38-41
• 3.2 平板对接焊接热弹塑性蠕变分析41-49
• 3.2.1 对接焊接的有限元模型41-43
• 3.2.2 计算结果分析43-49
• 3.3 利用固有应变再现焊接残余变形49-52
• 3.3.1 对接焊接有限元模型的生成49-50
• 3.3.2 计算结果分析50-52
• 3.4 本章小结52-53
• 第四章 钢主梁底板焊后变形和应力影响53-59
• 4.1 几何模型和网格模型的建立53-55
• 4.1.1 几何模型简化54
• 4.1.2 划分网格单元54-55
• 4.2 材料的物性参数55
• 4.3 边界条件55-56
• 4.4 热源模型选择及加载56
• 4.5 模拟结果与分析56-58
• 4.6 本章小结58-59
• 第五章 焊接施工控制59-65
• 5.1 采用的新型焊接技术59-61
• 5.1.1 门式多电极焊接技术59
• 5.1.2 轨道式焊接机器人焊接技术59-60
• 5.1.3 钢主梁大节段线形及长度精度控制技术60-61
• 5.2 钢主梁焊接工艺控制研究61-64
• 5.2.1 单元件的焊接变形控制61-62
• 5.2.2 钢主梁整体焊接变形控制62-63
• 5.2.3 大节段组合梁现场焊接变形控制63-64
• 5.3 本章小结64-65
• 第六章 基于实测温差的组合梁大节段架设焊接时机研究65-73
• 6.1 工程背景及研究方案65-66
• 6.2 测点布置66-68
• 6.3 基于现场温度模式的梁端转角分析68-70
• 6.4 最佳焊接时机分析70-72
• 6.5 本章小结72-73
• 第七章 结论与展望73-75
• 7.1 结论73-74
• 7.2 展望74-75
• 参考文献75-78
• 致谢78-79
• 攻读硕士学位期间发表的论著及取得的科研成果79-80
• 附录80-88

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本文编号：734440