第八届全国现代结构工程学术研讨会 本工程形式新颖，为目前国内跨度最大的弦支穹顶结构，作为大跨度预应力钢结构形式，本身对温度反应比较 敏感，因此在施工过程中焊接残余应力应是设计分析的主要内容，本文以模型的全过程施工阶段焊接残余应力对 结构起拱值及内力为分析重点。 二、焊接残余应力 ( 一) 焊接残余应力定义 焊接构件由焊接而产生的内应力称之为焊接应力，按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过 程中，某一瞬时的焊接应力称之为焊接瞬时应力，它随时间而变化；焊后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残 余应力。焊接残余应力为热应力( 主要为冷却应力) ，相变应力可再叠加其上。在焊接过程中，焊接区以远高于周 围区域的速度被急剧加热，并局部熔化。焊接区材料受热佑膨胀，热膨胀受到周围较冷区域的约束，并造成( 弹 性) 热应力，受热区温度升高后屈服极限下降，热应力可部分超 ? 过该屈服极限。结果焊接区形成了塑性的热压缩，冷却后，比周围区域相对缩短、变窄或减小。因此，这个区域 就呈现拉伸残余应力，周围区域则承受压缩残余应力。冷却过程中的显微组织转变会引起体积的变化，如果这种 情况发生在较低的温度，而此时材料的屈服极限足够高，则会导致焊接区产生压缩残余应力，周围区域承受拉伸 残余应力”。 ( 二) 焊接残余应力产生的原因 焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。焊接应力按其发生源来区分，有如下3 种情况： 1 、直接应力这是进行不均匀加热和冷却的结果，它取决于加热和冷却时的温度梯度，是形成焊接残余应力 的主要原因。 2 、间接应力这是由焊前加工状况所造成的压力。构件若经历过轧制或拉拔时，都会使之具有此类残余应力。 这种残余应力在某种场合下会叠加到焊接残余应力上去，而在焊后的变形过程中，往往也具有附加性的影响。另 外，焊件受外界约束产生的附加应力也属于此类应力。 3 、组织应力这是由组织变化而产生的应力，也就是相变造成的比容变化而产生的应力。它虽然因含碳鞋和 材料其它成分不同而有异，但一般情况下，这种影响必须要加以考虑的是，发生相变的温度和平均冷却速度。焊 接残余应力一般主要是由情况( 1 ) 的直接应力所造成的。 ( 三) 焊接残余应力的消除 从焊接残余应力的产生过程来看，焊接过程中近缝区形成的压缩塑性形变是残余应力变形成的根源。消除残 余应力的方法有很多种，现有的的各种方法按其过程的性质可分为三大类：一类是蠕变形变法，即通常的焊后热 处理：一类是力学形变法，包括通常的载拉伸、振动时效、锤击、爆炸处理等：最后一类是温差形变法，即利用热 膨胀量的别使金属产生伸长形变，达到消除因此，调整与消除焊接残余应力的实质是使焊接区产生适量的塑性伸 焊后调整与应力的目的| 4 1 。 三、焊接残余应力模拟分析方法 、 在本文中，运用有限元分析软件A N S Y S 中单元生死法。全面模拟现场焊接施工顺序。在焊接施工阶段，索 及径向钢拉杆尚未安装。所以在模型中将其杀死，从而更加真实的模拟实际施工状况。本文重点分析比较在考虑 焊接残余应力和不考虑焊接残余应力状态下结构起拱值和内力，从而得出焊接残余应力对结构施工过程的影响。 四、施工顺序及焊接残余模拟分析取值 为了将焊接残余应力对结构的不利影响降低到最小，整个上部网壳结构采用分步，对称焊接施工方法，施工 1 8 4 工业建筑2 0 0 8 增千吐 第八届全囝现代结构工程学术研讨会 示意图见下图2 所示： ，F ， - 、 、，k 卜，：。+ ，fooo ，囝 图2 ：焊接施工过程示意图 ， 具体的施工顺序：焊接环桁架与球支座连接的下弦环向杆焊接与球支座连接的腹杆焊接上弦与 腹杆连接的环梁杆呻- 焊接下弦球支座和刚节点之间的环向杆 焊接下弦刚节点和上弦刚节点之间的腹杆 环桁架焊接施工完成) 焊接第1 圈环向杆焊接第1 圈径向杆。第1 3 圈环向杆焊 接与中心压力环连接的径向杆。 根据施工经验，综合考虑整体结构及杆件材料属性，本计算模型采用每条焊缝收缩l m m 进行取值分析，可 知每根杆件在端部各有一条焊缝。平均每根杆件收缩2 r a m ，由于杆件为线性材料，则需要旖加的等效温度荷载 可以由公式： r ：丝 砜。 其中T 为等效温度，A L 为杆件长度变化( A T - 与A I 异号) ，Q 为材料线性膨藤素数( 钢材n ：1 2 X l 矿 ) ，】o 为杆件原长。由上述公式可以计算出各根杆件的等效温度荷载，由于杆件太多。将长度相近的杆件统一 施加相同的温度，具体见表l ； 五、模型一焊接施工阶段残余应力对结构影响分析 为了更为深入的分析比较焊接残余应力对结构在施工阶段的影响，在本节中将分别研究分析施T 阶段( 1 ) 在无临时支撑状态下焊接残余应力对网壳上部节点竖向位移的影响分析；( 2 ) 在有临时支撑状态下焊接残余应力 对临时支撑承载力的影响。 ( 一) 焊接麓工阶段罔壳无临时支撑时节点竖向自由位移 为了在焊接施工阶段考虑焊接残余应J J x , l “ 焊接施工完成后各撑杆上节点竖向位移的影响，在模型中，网壳机 构不设临时支撑，让网壳节点在焊接残余应力的作用下自由移动，分析时仅考虑自重不考虑其他荷载，具体分析 结果见表2 ： 有表2 可知可知，焊接残余应力对结构有很大的影响，相较于不考虑焊接残余状态下即结构在自重作用下结 构的竖向位移值下降了，在考虑焊接残余应力状态下整个网壳沿重力方向有了更大的位移， 从数值上看位移平 均都增大了2 0 ，也就是网壳节点向下方向产生了较大的沉降，最大降幅达到3 0 r n m ，所以在施工过程中必须考 虑的。由于在焊接施工阶段节点下部都有临时支撑，限制了上述的竖向位移，但是在施工设计时必须对临时支撑 和脚手架在焊接施工阶段的承载力进行模拟施工分析。 工业建筑2 0 佣增刊 第八届伞围现代结构L 程学术研讨会 表1 ：网壳杆件焊接残余应力等效温度荷载 等效温度荷等效温度荷 。 杆件杆件 载( J载( ) 环桁架下弦 4 0 6 9 6 豳径向7 3 5 7 9 环桁架外，I ：弦5 8 9 36 圈环向，2 9 7 8 桁架内卜弦3 2 4 67 圈径向3 7 6 1 桁架r 弦腹杆4 5 4 77 圈环向3 4 6 9 ， 桁架中间腹杆( 外平均值) 5 8 4 l8 圈径向3 9 5 9 桁架中间腹杆( 内平均值)5 3 9 68 嘲环向4 1 5 7 1 圈径向 ，3 82 4 9 圈径向I 3 2 8 3 1 嘲环向 一3 5 0 6 9 幽径向2粕4 l 2 罔径向 3 9 1 9 9 圈环向 2 6 1 2 2 圈环向 - 3 8 1 5 1 0 圈径向 3 6 6 9 3 圈径向一4 0 1 31 0 圈环向一3 4 8 0 二3 圈环向4 1 8 71 1 圈径I q 4 I 0 6 4 圈径向- 4 1 0 71 1 圈环向一5 2 1 6 4 圈环向 7 4 6 4 I 1 2 圈径向 3 9 2 9 5 圈径向3 3 7 6 ， 1 2 圈径向2舶4 l 5 圈径向2 4 6 4 1 1 2 圈环向 一5 3 4 9 5 幽环向2 6 1 0雎力环径向舶4 1 、， 。 表2 ：焊接施工结束后各撑杆上节点竖向位移 I “? 。”? 。j 。“j “。二“- _ t 一” 、 一 “i - 村： 。- 。- 。一一。一一。一一。： ，啊i TITT-ITTTTT _TvT _TT ， ，- ”肼 第一圈撑杆上节点竖向位移( m ) = ，。j = ：= ：；j ，= 二：= 。s d ， + i i i i ；j ：；：；i ；音；i i ；! i i ! ! iH “_ 。w l ) i l - * 1 3 m ： w _ ，H 。“二 “嘲二 “ - o m T j -Iq 啊 f-TT_T T-T1T1o l I 。 _ 一 f 第二圈撑杆上节点竖向位移( 1 1 “ 1 1 1 ) 第三圈撑杆上节点竖向位移( 肿) H l _ “H_ m 啊 ：二 隧 B e l l 8 计I 瞄 I： ： 一 1 一：一j ： 。 j * ： - i 。- ： 一T 一 I ： 一 。 一 一 T- t ， 第四圈撑杆上节点竖向位移( m m )，第五圈撑杆上节点竖向位移( 啪) ( - - ) 有临时支撑状态下焊接残余对临时支撑反力分析 在此节分析中，完全模拟施T 现场状况，给网壳上部节点( 除撑杆上节点) 都设临时支撑。在建模过程中， 工业建筑2 0 0 8 增刊 第八届全国现代结构工程学术研讨会 裹4 ：张拉施工阶段撑杆上节点竖向位移对比 、 1 竹- 吐 - 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一- 一一一一一一一 i2 ：= O777 一 | 誊一毒毒l 寸章t ，i 毒蕈，l ，毒善矿摹 口 q 。 第一圈撑杆上节点竖向位移( 助n ) m i l l - 、 一。- - 一一。一- - - - - _ 一- - - - 一- - - 一：r 1 一 H “H 制噜柏 争- - ；：1 卜 制_ r 劓 j - + t B I ：姿：鲨I 1 1 p _ _ - 一 一一 一一 。 一 守f 一一，幸争”，p t f p 擘 守坩曾一f f 封，V - ，t ，一，N ， e 第一圈撑杆上节点竖向位移( 啪) ， 第三圈撑杆上节点竖向位移( 嗍) 1 - - -_- - _ 一 !-i ：- 3 J ITTTT 一R p f l u i 。十_ 【：- - 卜 。- - 榔H p t - I I _ ，+ 1 _ _ 咖一一l l J 一柚一州I l l 晴一I -一 瞳_ 一_ _ 一。、 ，- - _ - 啊一 第四圈撑杆上节点怪向位移( 眦) 第五圈撑杆上节点竖向位移( 删曲) 从结果对比可知，焊接残余应力对网壳的起拱值影响显著，由于焊接残余应力的存在，使结构在施工阶段产 生了很大的收缩，因而在整体施工结束后，整个结构在焊接残余应力的作用下起拱值降低了，最大降低幅度达 5 ( ) | n m 。 ( 二) 径向铜拉杆轴力 同样由于撑杆下索撑节点摩擦力的存在，对于预应力索的轴力值对比分析，间接参照径向钢拉杆的轴力值 进行，有钢拉杆的轴力值反算得出相应各环向索段的索力值。 工业建筑