钢结构具有自重轻、强度高、抗震性能好以及可循环利用等优点，近年来被广泛地运用在建筑领域。熔化焊技术是钢结构最主要的连接手段。焊接产生的残余应力会对建筑钢结构的承载能力、稳定性与安全性产生不利的影响；焊接变形不仅影响产品的外观质量，还会降低钢结构的装配精度。因此，焊接残余应力与变形的预测及控制对于建筑钢结构的健全性与完整性评估具有重要的理论意义与工程价值。为此，本文以有限元软件ABAQUS为平台，采用顺序耦合的热-弹-塑性有限元计算方法来模拟典型接头和结构的焊接温度场、残余应力与变形。为了能准确地、高效地预测焊接残余应力与变形结果，开发了面向工程应用的高精度材料模型和计算方法。运用所开发的计算方法，模拟了方管柱-H型梁整体的焊接应力分布，基于数值模拟结果提出了调控隔板焊接应力的方案；针对单V型坡口的厚板T型接头的角变形问题，基于预测结果提出了控制角变形的方案，并比较了各方案控制角变形的效果。
　　高精度高效的材料模型对于有限元法解决实际工程问题至关重要。以Q345低合金高强钢平板对接接头为研究对象，开发了可以同时区分考虑母材与焊缝金属的力学性能、材料的加工硬化、退火软化效应和固态相变的热-弹-塑性有限元方法。在数值模拟时，采用区分考虑母材与焊缝金属屈服强度的方式模拟焊缝金属的力学性能；分别利用各向同性硬化准则与“阶跃式”退火软化模型模拟材料的加工硬化与退化软化效应；分别采用JMAK方程与K-M关系模拟焊接过程中扩散型的固态相变与非扩散性的固态相变。研究了焊缝金属的力学性能、材料的加工硬化及退火软化效应与母材的固态相变对焊接残余应力与变形的计算精度和效率的影响。研究结果表明，为了准确且高效地预测Q345钢接头的焊接残余应力与变形，材料模型中可以忽略固态相变因素，但要区分考虑母材与焊缝金属的力学性能、材料的加工硬化及退火软化效应。
　　建筑钢结构中的焊接接头通常板厚较厚、焊道数较多，计算规模较大。为了提高计算效率，以板厚为30mm的T型接头为研究对象，研究了瞬间热源模型与有限元模型纵向方向的网格密度对焊接残余应力与变形的影响。研究结果表明，瞬间热源模型的计算方法能够在较短的时间内获得较高精度的焊接残余应力，且有限元模型纵向方向的网格密度对焊接残余应力的影响较小；但是瞬间热源模型的计算方法会严重低估焊接变形。以板厚为40mm的平板对接接头为研究对象，采用瞬间热源模型的计算方法，研究了合并焊道方式对焊接残余应力的影响。为了保证焊接残余应力的计算精度，提出了合并焊道模型总热量的修正公式。研究结果表明，合并表面焊道的方式会明显低估焊接接头盖面焊道及其附近区域的焊接残余应力；合并填充焊道的方式能够较为准确地预测焊接接头表面的焊接残余应力，但会略微增加焊接接头填充焊道区域的焊接残余应力。该研究为大型钢结构整体的焊接残余应力预测提供了高效的计算方法。
　　方管柱-H型梁包含大量的十字接头与T型接头，其中方管柱的隔板与H型梁的翼缘板具有产生层状撕裂的倾向。基于层状撕裂的形成机理，提出了以钢材厚度方向的焊接残余应力与整个焊接过程的峰值应力作为层状撕裂力学因素的评价方法。采用瞬间热源模型的计算方法模拟了方管柱-H型梁整体的焊接残余应力与峰值应力分布，对比隔板与翼缘板厚度方向的焊接应力，发现隔板高的峰值应力区域与数值都要大于翼缘板。建立含有隔板的十字接头模型，采用瞬间热源模型与合并焊道模型相结合的计算方法模拟板厚为100mm的十字接头焊接应力分布，并从焊接顺序、焊道布置与焊缝金属强度等级三个方面来调控隔板厚度方向的焊接应力，以缓解隔板的层状撕裂产生倾向。该研究结果可为从力学因素缓解层状撕裂提供理论指导。
　　在实际焊接生产中，单V型坡口的厚板T型接头角变形是一个非常突出的问题。本文分别采用了焊道布置优化法、结构拘束法与反变形法来控制单V型坡口的厚板T型接头的角变形。为了准确预测接头的角变形，计算中，采用移动热源模型模拟焊接热输入。研究结果表明，焊道以堆焊的方式堆在翼缘板的接头可以减少32%的角变形；结构拘束法可以降低69%的角变形；采用有限元法确定初始反变形，反变形法几乎完全消除了T型接头的角变形。
　　本文基于有限元方法对建筑钢结构焊接应力与变形的预测及控制进行了系统地研究。其中，建立面向工程应用的高精度材料模型及计算方法的研究具有一定的科学意义；通过调控厚大接头的焊接应力来缓解层状撕裂产生倾向的研究，和通过控制厚板接头角变形来提高钢结构装配精度的研究具有重要的工程应用价值。