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摘要：随着钢结构建筑的增加，焊接应力和变形对钢结构的承载力的影响越来越引起工程界的关注。文章从焊接应力和变形产生的原因着手，对钢结构框架是否考虑焊接应力和变形进行承载力对比分析。
关键词：焊接应力和变形热弹塑性分析承载力
钢结构成为目前应用日益普遍的一种结构形式，多用于大跨度公共建筑、工业厂房和一些对建筑空间、建筑体型、建筑功能有特殊要求的建筑物和构筑物中。焊接已成为钢结构制作和施工过程重要的连接方式，目前应用最多的是手工电弧焊和自动（或半自动）埋弧焊。它们均利用电弧产生的热能使连接处的焊件材料和焊条（或焊丝）熔化使两焊件连成一体。焊接时焊缝及周围产生局部高温的不均匀温度场，高温部分钢材要求向外膨胀伸长但受到邻近钢材的约束形成焊接应力，焊接应力较高的部位将达到钢材屈服强度而发生塑性变形称为焊接变形。焊接应力和变形对结构承载力影响程度对于工程经济至关重要。
一、焊接应力和变形产生的原因
（一）焊接应力产生原因
焊接应力按作用方向分为平行于焊缝长度方向的纵向应力、垂直于焊缝轴线的横向应力和厚度方向应力。在焊接过程中，钢板中会产生不均匀的温度场，从而产生不均匀的膨胀。在靠近焊缝一侧高温区受到热压力作用，而在远离焊缝一侧受到热拉应力的作用；焊接完毕，焊件自然冷却，在近焊缝区段产生拉应力，在稍远区段产生压应力称为纵向应力。横向焊接应力可分为焊缝的纵向和横向两个方向收缩应力。在焊接过程中，两块板沿焊缝长度方向中部产生横向拉应力，两端产生压应力。冷却时，焊缝冷却时间不同，先焊的先冷却并产生强度，约束了后焊的焊缝在横向的膨胀。后焊的焊缝冷却时，横向收缩受到阻止，而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力。厚度方向的焊接应力常发生焊缝需要多层焊中，温度沿厚度方向分布不均，表面先冷却，中间后冷却，中间部分收缩时，受到表面已凝固焊缝阻止，中间层受拉，而外层受压。
（二）焊接变形产生原因
焊接变形分结构部分发生变形的局部变形和整个结构的形状或尺寸发生变化的整体变形。焊接变形产生的原因很多，不均匀的局部加热和冷却是最主要原因，焊件局部被加热到熔化状态，形成了焊件上温度的不均匀分布区，使焊件出现不均匀的热膨胀，热膨胀受到周围金属的阻碍不能自由膨胀而受到压应力，周围的金属则受到拉应力。焊件冷却时，由于加热的金属在加热时已产生了压缩的塑性变形，所以，最后的长度要比未被加热金属的长度短些。
二、焊接应力和变形计算
（一）焊接应力和变形计算理论
焊接应力和变形计算是以焊接温度场的分析为基础，同时考虑焊接区温度场对应力应变场的影响。目前，研究焊接应力和变形的理论很多，如热弹塑性分析、固有应变法、粘弹塑性分析、考虑相变与热应力祸合效应等。热弹塑性分析是在焊接热循环过程中通过一步步跟踪热应变来计算热应力和应变的方法。采用这种方法可以详尽地掌握焊接应力和变形的产生及发展过程，用有限元法处理热弹塑性问题，本质上是将非线性的应力应变关系按加载过程逐渐化为线性问题处理。因焊接过程中并无外力作用，所以载荷项实际上是由于温度变化而引起的，这样处理的方法是将从温度场分析分成若干增量载荷，逐渐加到结构上求解。
（二）有限元模型
通过依据上述热弹塑性分析方法，使用大型有限元软件ANSYS建立有限元模型，选取与工程相适用的单元类型，定义与工程实际相同的材料属性，划分合理的单元网格，适当处理荷载加载和边界。而这其中最关键的就是载荷和边界处理。
1．载荷的施加。对于焊接热源载荷，在ANSYS中一般以热流密度或生热率两种形式施加。对于表面堆焊问题，忽略熔覆金属的填充作用时，将热源以热流密度的形式施加载荷，可得到较满意的计算结果。但对于开坡口的焊缝或填角焊缝等，应将热源作为焊缝单元内部生热处理，以生热率的形式施加载荷。
2．边界条件的处理。焊接温度场的计算属于瞬态热分析，需设定初始温度，其值取决于焊接过程中的介质温度，在空气中焊接时，初始温度值应设为室温。焊件与周围介质的对流换热通常会损失一部分热量，但在空气流动较小的情况下，对流换热系数很小，可忽略不计。
三、焊接应力分析
取焊缝纵向中线和横向上的一些点的焊接应力，可以很清晰地得到焊接应力沿纵向、横向的分布。在焊缝内部，热量以热传导的方式由高温区（焊缝中心区域）向低温区（远离焊缝中心区域）；在焊缝表面，热量主要以热辐射和空气对流的方式散失，焊缝中心区域热量散失最慢，两端散热较快的区域先形成强度，并对中心区域起约束作用，故焊缝两端的焊接应力应与中心区域相反，在梁柱节点中，框架自身的刚度对焊缝有很强的约束作用，故焊缝应力为拉应力。纵向焊接应力在焊缝中心最大为10MPa，并由焊缝中心向两端递减为1.25MPa；焊缝中心节点等效应力随着温度剧烈变化，节点随着温度的升高体积膨胀产生压应力；横向焊接应力最大为7.1MPa，最小为3.4MPa。
四、焊接残余应力和残余变形对纯框架承载力的影响
将残余应力计算结果应用于本节，分析残余应力和残余变形对结构承载力的影响。对六层二跨框架分别模拟考虑焊接残余应力、残余变形和不考虑焊接残余应力、残余变形两种情况，求得其极限承载力和位移。
（一）框架结构的荷载和约束
1．约束:柱脚为固端，即约束柱脚所有的自由度。为了防止框架平面外失稳约束所有节点平面外位移。
2．焊接残余应力和变形：焊接进行了有限元模拟分析，得到了焊接残余应力和变形的分布形式。将残余应力等效为积分点上的集中荷载，残余变形则以初位移的方式施加在梁两端。
3．竖向荷载:竖向荷载主要为楼面的自重和活荷载.
（二）计算结果分析
表1六层二跨框架极限承载力及位移对比表
初始应力 弹性极限承载力 弹性极限位移 塑性极限承载力 塑性极限位移
不考虑焊接应力 36.63 38.07 112.5 202.05
考虑焊接应力 36.09 39.78 113.31 208.53
影响率 1.50% 4.50% 0.10% 3.20%
弹性阶段考虑焊接应力与否其承载力相差较小，考虑焊接应力框架承载力要略低。到塑性阶段时，其极限承载力几乎相等，即此时残余应力对结构承载力的影响可忽略不计。但是否考虑残余应力对弹性极限位移和塑性极限位移均存在较大的影响，而且对弹性阶段影响更大。
五、结语
焊接应力在弹性阶段对框架承载力的影响较大，在塑性承载力影响较小。焊接应力在梁柱连接处焊接残余应力以纵向拉应力为主，残余应力使构件在结构未受外力时就有较高的内应力，故结构在承受较小外荷载时就达到屈服，使其弹性极限应力降低。随着荷载继续增加框架进入塑性阶段，框架部分构件达到屈服，出现内力重分布，残余应力对框架承载力的影响越来越小。所以在钢结构设计过程中，根据不同的使用功能决定是否考虑焊接应力和变形。
参考文献
[1]王肇民. 建筑钢结构设计[M]．同济大学出版社,2001.
[2]舒兴平. 钢框架结构弹塑性有限变形理论分析及试验研究[D]. 湖南大学图书馆,1992.
[3]赵海燕,鹿安理,史清宇,等. 焊接結构CAE中数值模拟技术的实现[J]．中国机械工程,2000,11（7）.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：焊接应力和变形热弹塑性分析承载力
钢结构成为目前应用日益普遍的一种结构形式，多用于大跨度公共建筑、工业厂房和一些对建筑空间、建筑体型、建筑功能有特殊要求的建筑物和构筑物中。焊接已成为钢结构制作和施工过程重要的连接方式，目前应用最多的是手工电弧焊和自动（或半自动）埋弧焊。它们均利用电弧产生的热能使连接处的焊件材料和焊条（或焊丝）熔化使两焊件连成一体。焊接时焊缝及周围产生局部高温的不均匀温度场，高温部分钢材要求向外膨胀伸长但受到邻近钢材的约束形成焊接应力，焊接应力较高的部位将达到钢材屈服强度而发生塑性变形称为焊接变形。焊接应力和变形对结构承载力影响程度对于工程经济至关重要。
一、焊接应力和变形产生的原因
（一）焊接应力产生原因
焊接应力按作用方向分为平行于焊缝长度方向的纵向应力、垂直于焊缝轴线的横向应力和厚度方向应力。在焊接过程中，钢板中会产生不均匀的温度场，从而产生不均匀的膨胀。在靠近焊缝一侧高温区受到热压力作用，而在远离焊缝一侧受到热拉应力的作用；焊接完毕，焊件自然冷却，在近焊缝区段产生拉应力，在稍远区段产生压应力称为纵向应力。横向焊接应力可分为焊缝的纵向和横向两个方向收缩应力。在焊接过程中，两块板沿焊缝长度方向中部产生横向拉应力，两端产生压应力。冷却时，焊缝冷却时间不同，先焊的先冷却并产生强度，约束了后焊的焊缝在横向的膨胀。后焊的焊缝冷却时，横向收缩受到阻止，而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力。厚度方向的焊接应力常发生焊缝需要多层焊中，温度沿厚度方向分布不均，表面先冷却，中间后冷却，中间部分收缩时，受到表面已凝固焊缝阻止，中间层受拉，而外层受压。
（二）焊接变形产生原因
焊接变形分结构部分发生变形的局部变形和整个结构的形状或尺寸发生变化的整体变形。焊接变形产生的原因很多，不均匀的局部加热和冷却是最主要原因，焊件局部被加热到熔化状态，形成了焊件上温度的不均匀分布区，使焊件出现不均匀的热膨胀，热膨胀受到周围金属的阻碍不能自由膨胀而受到压应力，周围的金属则受到拉应力。焊件冷却时，由于加热的金属在加热时已产生了压缩的塑性变形，所以，最后的长度要比未被加热金属的长度短些。
二、焊接应力和变形计算
（一）焊接应力和变形计算理论
焊接应力和变形计算是以焊接温度场的分析为基础，同时考虑焊接区温度场对应力应变场的影响。目前，研究焊接应力和变形的理论很多，如热弹塑性分析、固有应变法、粘弹塑性分析、考虑相变与热应力祸合效应等。热弹塑性分析是在焊接热循环过程中通过一步步跟踪热应变来计算热应力和应变的方法。采用这种方法可以详尽地掌握焊接应力和变形的产生及发展过程，用有限元法处理热弹塑性问题，本质上是将非线性的应力应变关系按加载过程逐渐化为线性问题处理。因焊接过程中并无外力作用，所以载荷项实际上是由于温度变化而引起的，这样处理的方法是将从温度场分析分成若干增量载荷，逐渐加到结构上求解。
（二）有限元模型
通过依据上述热弹塑性分析方法，使用大型有限元软件ANSYS建立有限元模型，选取与工程相适用的单元类型，定义与工程实际相同的材料属性，划分合理的单元网格，适当处理荷载加载和边界。而这其中最关键的就是载荷和边界处理。
1．载荷的施加。对于焊接热源载荷，在ANSYS中一般以热流密度或生热率两种形式施加。对于表面堆焊问题，忽略熔覆金属的填充作用时，将热源以热流密度的形式施加载荷，可得到较满意的计算结果。但对于开坡口的焊缝或填角焊缝等，应将热源作为焊缝单元内部生热处理，以生热率的形式施加载荷。
2．边界条件的处理。焊接温度场的计算属于瞬态热分析，需设定初始温度，其值取决于焊接过程中的介质温度，在空气中焊接时，初始温度值应设为室温。焊件与周围介质的对流换热通常会损失一部分热量，但在空气流动较小的情况下，对流换热系数很小，可忽略不计。
三、焊接应力分析
取焊缝纵向中线和横向上的一些点的焊接应力，可以很清晰地得到焊接应力沿纵向、横向的分布。在焊缝内部，热量以热传导的方式由高温区（焊缝中心区域）向低温区（远离焊缝中心区域）；在焊缝表面，热量主要以热辐射和空气对流的方式散失，焊缝中心区域热量散失最慢，两端散热较快的区域先形成强度，并对中心区域起约束作用，故焊缝两端的焊接应力应与中心区域相反，在梁柱节点中，框架自身的刚度对焊缝有很强的约束作用，故焊缝应力为拉应力。纵向焊接应力在焊缝中心最大为10MPa，并由焊缝中心向两端递减为1.25MPa；焊缝中心节点等效应力随着温度剧烈变化，节点随着温度的升高体积膨胀产生压应力；横向焊接应力最大为7.1MPa，最小为3.4MPa。
四、焊接残余应力和残余变形对纯框架承载力的影响
将残余应力计算结果应用于本节，分析残余应力和残余变形对结构承载力的影响。对六层二跨框架分别模拟考虑焊接残余应力、残余变形和不考虑焊接残余应力、残余变形两种情况，求得其极限承载力和位移。
（一）框架结构的荷载和约束
1．约束:柱脚为固端，即约束柱脚所有的自由度。为了防止框架平面外失稳约束所有节点平面外位移。
2．焊接残余应力和变形：焊接进行了有限元模拟分析，得到了焊接残余应力和变形的分布形式。将残余应力等效为积分点上的集中荷载，残余变形则以初位移的方式施加在梁两端。
3．竖向荷载:竖向荷载主要为楼面的自重和活荷载.
（二）计算结果分析
表1六层二跨框架极限承载力及位移对比表
初始应力 弹性极限承载力 弹性极限位移 塑性极限承载力 塑性极限位移
不考虑焊接应力 36.63 38.07 112.5 202.05
考虑焊接应力 36.09 39.78 113.31 208.53
影响率 1.50% 4.50% 0.10% 3.20%
弹性阶段考虑焊接应力与否其承载力相差较小，考虑焊接应力框架承载力要略低。到塑性阶段时，其极限承载力几乎相等，即此时残余应力对结构承载力的影响可忽略不计。但是否考虑残余应力对弹性极限位移和塑性极限位移均存在较大的影响，而且对弹性阶段影响更大。
五、结语
焊接应力在弹性阶段对框架承载力的影响较大，在塑性承载力影响较小。焊接应力在梁柱连接处焊接残余应力以纵向拉应力为主，残余应力使构件在结构未受外力时就有较高的内应力，故结构在承受较小外荷载时就达到屈服，使其弹性极限应力降低。随着荷载继续增加框架进入塑性阶段，框架部分构件达到屈服，出现内力重分布，残余应力对框架承载力的影响越来越小。所以在钢结构设计过程中，根据不同的使用功能决定是否考虑焊接应力和变形。
参考文献
[1]王肇民. 建筑钢结构设计[M]．同济大学出版社,2001.
[2]舒兴平. 钢框架结构弹塑性有限变形理论分析及试验研究[D]. 湖南大学图书馆,1992.
[3]赵海燕,鹿安理,史清宇,等. 焊接結构CAE中数值模拟技术的实现[J]．中国机械工程,2000,11（7）.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。