焊接鋼梁殘余應(yīng)力分析

焊接鋼梁概況

焊接過(guò)程的關(guān)鍵通常是使構(gòu)件局部加熱熔化，隨后是連續(xù)地冷卻。由于焊接等局部加熱及材料本身受到的約束作用，材料在溫度較高時(shí)發(fā)生了塑性變形或相變，在冷卻后被保留了下來(lái)，在構(gòu)件內(nèi)部形成了一個(gè)自相平衡的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，即殘余應(yīng)力場(chǎng)。殘余應(yīng)力的峰值往往達(dá)到甚至超過(guò)母料的屈服強(qiáng)度，當(dāng)這些焊接構(gòu)件投入工程使用中時(shí)，它們所受荷載引起的工作應(yīng)力與其內(nèi)部的焊接殘余應(yīng)力相互疊加，將導(dǎo)致焊接構(gòu)件產(chǎn)生二次變形和焊應(yīng)力重分布，從而降低焊接構(gòu)件的剛度和穩(wěn)定性。工程應(yīng)用中也不乏這種將型鋼直接焊接成鋼梁或鋼架的構(gòu)件。

焊接鋼梁殘余應(yīng)力

焊接過(guò)程是一個(gè)不均勻的加熱過(guò)程。在施焊時(shí)，焊件上產(chǎn)生不均勻分布溫度場(chǎng)，不均勻的溫度場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生不均勻的溫度膨脹。溫度較高處的鋼材的膨脹較大，由于兩側(cè)溫度較低，受到膨脹較小的鋼材的限制，產(chǎn)生了熱狀態(tài)塑性壓縮。焊縫冷卻時(shí)，被塑性壓縮的焊縫區(qū)趨向于縮的比原始長(zhǎng)度稍短，這種縮短變形受到兩側(cè)鋼材的限制，使焊縫區(qū)產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力是一種無(wú)外荷載作用下的內(nèi)應(yīng)力，因此會(huì)在焊件內(nèi)部自相平衡，這就必然在距焊縫稍遠(yuǎn)區(qū)段內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力。此外，由于焊縫縱向收縮，兩塊10號(hào)槽鋼趨向于形成反方向的彎曲變形，但實(shí)際上焊縫將兩塊槽鋼連成整體不能分開(kāi)，于是在焊縫中部產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，而在兩端產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力。其次焊縫在施焊過(guò)程中，由于先后冷卻的時(shí)間不同，先焊的焊縫已經(jīng)凝固，且具有一定的強(qiáng)度，會(huì)阻止后焊焊縫再橫向的自由膨脹，使其發(fā)生橫向的壓縮變形。當(dāng)焊縫冷卻時(shí)，后焊焊縫的收縮受到已凝固的焊縫限制而產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，同時(shí)在先焊部分的焊縫內(nèi)產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力。

焊接鋼梁概況

20世紀(jì)60年代后，焊接技術(shù)廣泛應(yīng)用于鋼橋等大型鋼結(jié)構(gòu)中。隨著日益加重的交通運(yùn)輸，許多焊接鋼橋出現(xiàn)了疲勞裂紋，于是對(duì)這些鋼橋疲勞壽命的預(yù)測(cè)將尤為重要。對(duì)于含有缺陷或裂紋的焊接結(jié)構(gòu)，主要研究裂紋擴(kuò)展壽命，大多采用Paris裂紋擴(kuò)展公式da/dN=C（△K）^m對(duì)裂紋擴(kuò)展壽命展開(kāi)研究。

焊接鋼構(gòu)件的概率疲勞壽命曲線和概率裂紋擴(kuò)展速率曲線是進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)疲勞可靠性設(shè)計(jì)和服役期間剩余疲勞壽命可靠性評(píng)估所必須的。

焊接鋼梁參數(shù)研究

大尺寸焊接鋼梁的疲勞壽命服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。在裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式中的參數(shù)m為定值時(shí)，通過(guò)裂紋擴(kuò)展壽命基本公式計(jì)算得到的參數(shù)C也服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。應(yīng)用概率斷裂力學(xué)方法對(duì)焊接鋼梁在給定可靠度下的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè),得出含有缺陷或裂紋大尺寸構(gòu)件的疲勞壽命主要是裂紋的擴(kuò)展壽命。由于鋼種對(duì)壽命的影響很小，所得結(jié)果對(duì)于我國(guó)鋼橋的剩余疲勞壽命可靠性評(píng)估有重要的參照價(jià)值。

焊接是一個(gè)將焊件局部快速加熱到高溫，并隨后快速冷卻的過(guò)程。隨著熱源的移動(dòng)，整個(gè)焊件的溫度隨著時(shí)間和空間劇烈變化，材料的熱物理性能也隨著溫度急劇變化，同時(shí)還存在熔化和相變時(shí)的潛熱現(xiàn)象。因此，焊接溫度場(chǎng)分析屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題。

鋼梁型鋼梁

用熱軋成型的工字鋼或槽鋼等制成(見(jiàn)熱軋型鋼）,檁條等輕型梁還可以采用冷彎成型的Z型鋼和槽鋼（見(jiàn)冷彎型鋼）。型鋼梁加工簡(jiǎn)單、造價(jià)較廉，但型鋼截面尺寸受到一定規(guī)格的限制。當(dāng)荷載和跨度較大,采用型鋼截面不能滿足強(qiáng)度、剛度或穩(wěn)定要求時(shí),則采用組合梁。

鋼梁組合梁

由鋼板或型鋼焊接或鉚接而成。由于鉚接費(fèi)工費(fèi)料,常以焊接為主。常用的焊接組合梁為由上、下翼緣板和腹板組成的工形截面和箱形截面，后者較費(fèi)料，且制作工序較繁雜，但具有較大的抗彎剛度和抗扭剛度，適用于有側(cè)向荷載和抗扭要求較高或梁高受到限制等情況。

圖2是一種特殊型式的組合梁,由軋制工字鋼經(jīng)火焰切割后再錯(cuò)位焊接，焊接后梁高大于原工字鋼(增加六角形孔高的一半)，從而提高了梁的承載能力和抗彎剛度；由于腹板上有形似蜂窩的六角形孔，故名蜂窩梁。

本報(bào)告出自NCHRP第12-7號(hào)項(xiàng)目的第二階段，目的是為鋼梁橋的疲勞行為提供可靠信息。為確定有加勁肋和有附連件的各細(xì)節(jié)的疲勞抗力，共制造了大約157根試件梁，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)。(注：在這157根梁中，有單純軋制梁29根。又：附連件是attachments的一種譯名，也可譯為焊連板、焊連件，在本書(shū)這些譯名均通用。)