2010年第7期总第145期
福 建 建 筑
Fujian A rchitecture &Co nst ruc tion
N o7·2010
V ol ·145
焊接残余应力对焊接结构的影响
葛明兰1 鲁家晟2
(1. 西安欧亚学院 710065; 2. 陕西建工集团第一建筑工程有限公司 710068)
摘 要:焊接残余应力是焊件产生变形和开裂等缺陷的主要原因, 由于其影响因素众多, 本文分别从焊接残余应力对结构的刚度、受压杆件稳定性、静载强度、疲劳强度、构件脆性、焊件加工精度和尺寸稳定性等方面进行分析研究残余应力对焊接结构产生的影
响。
关键词:焊接残余应力 刚度 强度 受压构件稳定性中图分类号:T U3 文献标识码:B 文章编号:1004-6135(2010) 07-0050-03
The Influence Of Welding residual StressTo Welded Steel Structure
Ge M ing lan 1 Lu Jiasheng 2
(1. Xian Eurasia U niver sity 710065; 2. T he F irstt Eng ineering Limited O f Shaanx i Constructio n Engineering G roup 710068)
A bstract :Welding residual stress is welded defects such as distor tion and cracking o f the main r ea so ns , because of its larg e num -ber o f factor s , A nalysis of the w elding residual stress o n the stiffness o f the structur e , by the bar piece stability , sta tic streng th , fatig ue , brittle co mpo nents , w eldment machining accuracy and dimensional stability analy sis in a reas such as w elding residual stress o n the impact of the str ucture .
Welding re sidual str ess Stiffness S trength Stability o f co mpression member s Keywords :
0 引言
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, 它随着时间而变化。焊后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力。对于钢结构而言, 焊接残余应力和变形是影响结构断裂强度、疲劳强度
和结构稳定性的重要因素。焊接残余应力大大降低了焊接部位材料的有效比例极限, 是结构发生脆断的主要原因之一[1]。焊接结构中, 残余拉应力还会降低结构抗疲劳和耐腐蚀的能力; 残余压应力会降低受压构件的刚度, 从而使稳定承载力。焊接残余应力是焊件产生变形和开裂等工艺缺陷的主要原因, 由于其影响因素众多, 计算残余应力又极为复杂, 因此给残余应力的研究带来了许多困难, 对焊接结构的残余应力研究就显得尤为重要。
焊接残余应力分为纵向焊接残余应力、横向焊接残余应力和沿厚度方向的焊接残余应力。如图1、图2、图3所示。
横向焊接残余应力是沿构件横向不同部分之间受热冷却不均匀导致的; 纵向焊接残余应力则是沿构件轴向的不同部分受热不均造成的。一般横向焊接残余应力对杆件稳定性影响不大, 而纵向焊接残余应力对杆件稳定性有较大影响[3, 4]。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。焊接区材料受热而膨胀, 热膨胀受到周围较
作者简介:葛明兰, 女, 1981年4月出生, 助教。研究方向:
钢结构、组合结构, 主要从事工作:教学研究。
收稿日期:2010-02-23
图3 厚板中的焊接残余应力图2 钢板中的横向焊接残余应力(a )
(b )
(c )
(a ) 、(b ) 施焊时焊缝及附近温度场 (c ) 钢板生的纵向焊接残余应力
图1 施焊时焊缝及附近温度场和焊接残余应力
冷区域的约束。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, 这个区域就呈现残余拉应力, 周围区域则承受压缩残余应力。
1 焊接残余应力成因
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。焊接残余应力按其发生源来区分, 有如下三种情况:
a ) 直接应力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。b ) 间接应力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。
c ) 组织应力是由组织变化而产生的应力, 也就是由相变造成的比容变化而产生的应力。它虽然因含碳量和材料其它成分不同而有异, 但一般情况下, 这种影响是必须要加以考虑的。
2 焊接残余应力对焊接结构的影响
由于焊接过程是一个局部的不均匀加热、冷却过程, 受焊缝及其近缝区温度场的影响, 焊件内部会出现大小不等、分布不均匀的残余应力-应变场。在焊件服役过程中[5], 焊接结构的残余应力和其所受载荷引起的工作应力相互叠加, 使其产生二次变形和残余应力的重新分布, 这不但会降低焊接结构的刚性和尺寸稳定性, 而且在温度和介质的共同作用下, 还会严重影响结构和焊接接头的疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力。
现代大工业生产与新技术的迅猛发展, 对焊接技术提出了更高的要求、高质量、高经济性和高可靠性。焊接残余应力与变形是直接影响构件结构性能、安全可靠性的重要因素, 它在一定条件下, 会对结构的断裂特性、疲劳强度和形状尺寸精度等产生十分不利的影响。
2. 1 对结构刚度的影响
当外载产生的应力σ与结构中某区域的残余应力叠加之和达到屈服点f y 时, 这一区域的材料就会产生局部塑性变形, 丧失了进一步承受外载的能力, 造成结构的有效截面积减小, 结构的刚度也随之降低[6]。结构上有纵向和横向焊缝时(例如工字梁上的肋板焊缝) , 或经过火焰校正, 都可能在较大的截面上产生残余拉伸应力, 虽然在构件长度上的分布范围并不太大, 但是它们对刚度仍然能有较大的影响。特别是采用大量火焰校正后的焊接梁, 在加载时刚度和卸载时的回弹量可能有较明显的下降, 对于尺寸精确度和稳定性要求较高的结构是不容忽视的。2. 2 对受压杆件稳定性的影响
当外载引起的压应力与残余应力中压应力叠加之和达到f y 。这部分截面就丧失进一步承受外载的能力, 继续承载的杆件的有效截面积减少, 杆件刚度降低, 稳定承载力降低[7]。残余应力对受压杆件稳定承载力的影响大小, 与残余应力的分布有关。
残余应力是一个不稳定的应力状态, 当构件受到外力、温度等其它因素作用时, 由于这些作用应力与残余压应力的相互作用, 使构件某些局部呈现塑性变形, 截面内残余应力重新分布, [8]。过程中残余应力将发生松弛, 所以残余应力影响着构件稳定性。这也是工程部门最关心的问题之一。
残余应力对构件变形的影响包括两个方面:一方面是构件抗静、动载荷的变形能力; 另一方面是载荷卸载后变形恢复的能力。残余应力在这两个方面对构件的影响是很大的, 因此人们一直在研究消除这些影响的有效方法。2. 3 对静载强度的影响
如果材料是脆性材料, 由于材料不能进行塑性变形, 随着外力的增加, 构件中不可能应力均匀化。应力峰值将不断增加, 直至达到材料的屈服极限, 发生局部破坏, 最后导致整个构件断裂。脆性材料残余应力的存在, 会使承载能力下降, 导致断裂。对于塑性材料, 在低温环境下存在三向拉伸残余应力的作用, 会阻碍塑性变形的产生, 从而也会大大降低构件的承载能力。
对于焊接构件, 只要构件和焊道本身具有较好的塑性变形能力(没有低温、动荷载等使钢材变脆的不利因素) , 残余应力不会降低构件的静力强度[10]。因为有残余应力的构件承受逐渐增大的轴心拉力时, 外荷载引起的拉应力将叠加截面的残余应力。在加载过程中, 应力不断增加, 当叠加总应力达到材料的屈服极限f y , 构件中存在残余拉应力的截面提前进入塑性区, 后增长的外荷载仅由截面的弹性区承担, 随荷载的增大, 弹性区减少, 塑性区增大, 内部应力不断叠加, 应力发生重新分布, 直至整个截面上的应力达到材料的屈服极限f y 时为止。由于截面残余应力为自相平衡应力分布, 故静力荷载相等, 即残余应力不会降低构件的静力强度。但是塑性材料在一定条件下会失去塑性, 变成脆性或者构件材料塑性较低, 残余应力将会影响构件的静力强度。因为构件无足够的塑性变形产生, 在加载过程中应力峰值不断增加, 直至达到材料强度极限后发生破坏因而残余应力对其有影响。2. 4 对疲劳强度的影响
钢材在循环应力多次反复作下裂缝生成、扩展以致断裂破坏的现象称为钢材的疲劳。残余应力的存在使变荷载产生的应力与残余应力叠加后, 应力幅值产生变化, 将对结构抗疲劳强度产生影响[2]。因此, 如应力集中处存的着残余拉应力较大, 疲劳强度就降低。应力集中系数越高, 残余应力的影响也就越显著, 因此, 提高疲劳强度, 不仅应从调节和消除残余应力着手, 而且应从工艺和设计上来降低结构的应力集中系数, 从而降低残余应力对疲劳强度的不利影响。2. 5 对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响
机械加工把一部分材料从焊件上切除时, 此处的应力也被释放。残余应力的原来平衡状态被破坏, 焊件产生变形, 加工精度受影响。组织稳定的低碳钢及奥氏体钢焊接结构在温室下的应力松弛微弱, 因此内应力随时间的变化较小, 焊件尺寸比较稳定[7]。低碳钢在室温下长期存放, 屈服应力数值为F Y 的原始应力可能松弛2. 5%～3%,如果原始应力较低, 则松弛的比值将有所减少, 但若环境温度升高至1000℃,松弛的比值将成倍增加。
2. 6 对构件脆性的影响
脆性破坏是指构件在几乎不存在塑性变形情况下突然开裂, 并快速在整个截面内传播直至破坏。它在低温或者变形速率增加情况下最容易发生。
焊接结构中残余应力的存在(残余应力较高时可达f y ) 时, , , 屈
服。这部分截面在塑性变形后, 材料的塑性变形能力降低, 呈
脆性。因此, 残余应力的存在, 使部分截面出现脆性性能, 加剧了构件脆性破坏的可能性。
4 展望
焊接连接是钢结构及钢-混组合结构的重要连接手段。因此, 有效降低和消除焊接残余应力对结构的影响是关系结构安全和寿命是很有必要的。目前常用的方法有从设计和从制造, 加工方面采取相关措施。但是鉴于操作条件的限制, 方法还需再探寻。同时, 焊接结构在焊接残余应力等的共同作用下, 连接节点常常是断裂破坏的发源地, 可见, 焊接残余应力对于节点的影响还需要根入的研究, 以便对结构的影响降到最低点。
3 国内外关于焊接残余应力的研究
3. 1 国内关于焊接残余应力的研究
近年来国内对焊接残余应力的研究也有进展:陈宏2000年对高层钢结构在地震作用下的脆断机理及抗震性能进行了研究[11]。安俊伟[5]用有限元模拟了实际钢结构梁柱焊接节点残余应力、应力场, 并借助Push -ove r 方法对钢框架结构进行结构力学框架内的分析, 得到了与结构控制点水平位移相对应的杆件位移, 及其内力为边界条件并在叠加了焊接残余应力的情况下进行了梁柱节点的抗震性能研究。同时还分析了焊接残余应力对厚壁冷弯方钢管柱的承载性能, 对焊接残余应力和冷弯残余应力进行了研究, 接着分别研究了冷弯残余应力、初始缺陷和焊接残余应力影响下的厚壁单焊缝冷弯槽钢焊接组合轴心受压构件的承载力性能, 以及焊接残余应力、冷弯残余应力、初始缺陷共同作用下的双焊缝厚壁冷弯方、矩形管受压构件的承载力性能。
佘昌莲[13]对焊接过程产生的温度场、应力场以及焊后残余应力进行了三维实时动态模拟的研究, 提出了基于A NSY S 平台的焊接温度场、焊接残余应力的模拟分析方法, 并对某化学品船的货舱结构的舱壁与底板的T 型角接焊缝(高强钢焊接结构) 进行了实例计算, 而且通过与残余应力测量值的比较分析, 得出数值模拟结果与试验测量基本相吻合。
汤夕春[14]对钢结构中的梁、柱稳定理论做了一个较系统的阐述, 之后归纳了残余应力的一些研究成果, 然后运用AN -SY S 通用有限元软件包, 在考虑了初始几何缺陷情况下, 分析了抛物线热轧残余应力分布中的残余应力峰值对梁、柱构件极限承载力的影响, 在前人研究归纳出的各种H 型钢的不同的残余应力分布的基础上, 比较分析了两种焊接H 型钢和热轧H 型钢构件的极限承载力大小。3. 2 国外关于焊接残余应力的研究
2000年J . Z hang 和P . Do ng 对焊接结构的残余应力进行了研究, 研究表明由于有衬板的存在, 焊缝与柱表面间的尖锐槽口的存在, 导致焊缝根部的拉应力很高; 若施焊结束后将衬板移除, 结果显示:焊接残余应力进行了重新分配, 并且切口处的应力峰值有所降低, 最大降幅为18%[7]。
到目前为止, 国内外对焊接残余应力对方钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能影响的研究很少, 安俊伟[5]从热学角度分析了焊接时产生的残余应力对于结构抗震性能的研究。(上接第55页)
检测和加固后的检测。加固前的检测能为原有结构的抗震可靠性分析提供依据, 从而确定出良好的加固方案, 加固后的检测能对加固操作效果做出客观的评价, 保证抗震加固的达到预定的要求。
参考文献
[1]张俊宝. 基于P ush -ove r 分析的梁柱焊接节点抗震性能研究[D ].天津:天津大学, 2003.
[2]宋天民. 焊接残余应力的产生与消除[M ].北京:中国石化出版社, 2005.
[3]张家旭. 钢结构[M ].北京:中国铁道出版社, 1997:48-50.
[4]陈骥. 钢结构稳定理论与设计[M ].北京:科学出版社, 2001:49-51. [5]安俊伟. 焊接残余应力对梁柱节点抗震性能的影响[D ].天津:天津大学, 2005.
[6]陈士林, 方山峰. 纯弯L 字形薄壁钢梁局部与整体的相关屈曲[J ].武汉水利电力学院学报, 1992. 25(1) :54-61.
[7]于亮. 变截面工字钢梁的弹塑性局部与整体相关稳定承载力[D ].北京:清华大学, 2001. [8]陈骥. 钢结构稳定理论与设计[M ].北京:科学出版社, 2001:49-51.
[9]周正杰. 焊接工字钢偏心受压构件考虑残余应力的弯扭屈曲[D ].北京:清华大学, 1987.
[10]郭兵, 顾强, 苏明周. 焊接I 形梁在纯弯作用下的腹板高厚比限值及极限承载力[J ].工业建筑, 2000, 3(9) .
[11]陈宏. 高层钢结构节点地震脆断机理及抗震性能研究[M ].北京:清华大学, 2000.
[12]佘昌莲. 焊接结构的残余应力研究[D ].武汉理工大学, 2006.
[13]J . Z hang and P . Do ng . Residual stresses in welded moment fr ames and implications fo r str uctural perfo rmance [J ]. ASCE , ma rch , 2000.
[14]汤夕春. 残余应力对H 型钢梁柱构件极限承载力影响研究[D ].武汉理工大学, 2006. 程抗震与加固改造[J ].2005, 27(1) , 56-62.
[4]顾渭键, 马满福. 改变结构体系的房屋增层加固抗震设计[J ].工程抗震. 1996,(3) , 26-31.
[5]黄凌波. 多种加固技术在建筑结构中的应用[J ].建设科技. 2002,(3) , 82-83.
[6]侯东君. 论钢筋混凝土结构加固新技术应用评述[O L ].万维网.
[7]邵莲芬, 丁红. 多层混凝土框架结构抗震加固技术实用性研究[J ].建筑与结构设计. 2009,(3) . 46-49.
[8]滕锦光等著; 李荣, 滕锦光, 顾磊译. F RP 加固混凝土结构=F RP Streng thened Rc Str uctures /[M ]. 北京:中国建筑, 参考文献
[1]刘伟庆, 薛彦涛. 钢筋混凝土结构抗震加固技术究[J ]. 工程抗震. 1996, 3, 10-14.
[2]殷惠光, 姚青, 李秉南. 混凝土框架结构抗震加固设计若干问题的探讨[J ].徐州工程学院学报. 2006, 21(6) , 2-4.
, .
2010年第7期总第145期
福 建 建 筑
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N o7·2010
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焊接残余应力对焊接结构的影响
葛明兰1 鲁家晟2
(1. 西安欧亚学院 710065; 2. 陕西建工集团第一建筑工程有限公司 710068)
摘 要:焊接残余应力是焊件产生变形和开裂等缺陷的主要原因, 由于其影响因素众多, 本文分别从焊接残余应力对结构的刚度、受压杆件稳定性、静载强度、疲劳强度、构件脆性、焊件加工精度和尺寸稳定性等方面进行分析研究残余应力对焊接结构产生的影
响。
关键词:焊接残余应力 刚度 强度 受压构件稳定性中图分类号:T U3 文献标识码:B 文章编号:1004-6135(2010) 07-0050-03
The Influence Of Welding residual StressTo Welded Steel Structure
Ge M ing lan 1 Lu Jiasheng 2
(1. Xian Eurasia U niver sity 710065; 2. T he F irstt Eng ineering Limited O f Shaanx i Constructio n Engineering G roup 710068)
A bstract :Welding residual stress is welded defects such as distor tion and cracking o f the main r ea so ns , because of its larg e num -ber o f factor s , A nalysis of the w elding residual stress o n the stiffness o f the structur e , by the bar piece stability , sta tic streng th , fatig ue , brittle co mpo nents , w eldment machining accuracy and dimensional stability analy sis in a reas such as w elding residual stress o n the impact of the str ucture .
Welding re sidual str ess Stiffness S trength Stability o f co mpression member s Keywords :
0 引言
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, 它随着时间而变化。焊后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力。对于钢结构而言, 焊接残余应力和变形是影响结构断裂强度、疲劳强度
和结构稳定性的重要因素。焊接残余应力大大降低了焊接部位材料的有效比例极限, 是结构发生脆断的主要原因之一[1]。焊接结构中, 残余拉应力还会降低结构抗疲劳和耐腐蚀的能力; 残余压应力会降低受压构件的刚度, 从而使稳定承载力。焊接残余应力是焊件产生变形和开裂等工艺缺陷的主要原因, 由于其影响因素众多, 计算残余应力又极为复杂, 因此给残余应力的研究带来了许多困难, 对焊接结构的残余应力研究就显得尤为重要。
焊接残余应力分为纵向焊接残余应力、横向焊接残余应力和沿厚度方向的焊接残余应力。如图1、图2、图3所示。
横向焊接残余应力是沿构件横向不同部分之间受热冷却不均匀导致的; 纵向焊接残余应力则是沿构件轴向的不同部分受热不均造成的。一般横向焊接残余应力对杆件稳定性影响不大, 而纵向焊接残余应力对杆件稳定性有较大影响[3, 4]。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。焊接区材料受热而膨胀, 热膨胀受到周围较
作者简介:葛明兰, 女, 1981年4月出生, 助教。研究方向:
钢结构、组合结构, 主要从事工作:教学研究。
收稿日期:2010-02-23
图3 厚板中的焊接残余应力图2 钢板中的横向焊接残余应力(a )
(b )
(c )
(a ) 、(b ) 施焊时焊缝及附近温度场 (c ) 钢板生的纵向焊接残余应力
图1 施焊时焊缝及附近温度场和焊接残余应力
冷区域的约束。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, 这个区域就呈现残余拉应力, 周围区域则承受压缩残余应力。
1 焊接残余应力成因
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。焊接残余应力按其发生源来区分, 有如下三种情况:
a ) 直接应力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。b ) 间接应力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。
c ) 组织应力是由组织变化而产生的应力, 也就是由相变造成的比容变化而产生的应力。它虽然因含碳量和材料其它成分不同而有异, 但一般情况下, 这种影响是必须要加以考虑的。
2 焊接残余应力对焊接结构的影响
由于焊接过程是一个局部的不均匀加热、冷却过程, 受焊缝及其近缝区温度场的影响, 焊件内部会出现大小不等、分布不均匀的残余应力-应变场。在焊件服役过程中[5], 焊接结构的残余应力和其所受载荷引起的工作应力相互叠加, 使其产生二次变形和残余应力的重新分布, 这不但会降低焊接结构的刚性和尺寸稳定性, 而且在温度和介质的共同作用下, 还会严重影响结构和焊接接头的疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力。
现代大工业生产与新技术的迅猛发展, 对焊接技术提出了更高的要求、高质量、高经济性和高可靠性。焊接残余应力与变形是直接影响构件结构性能、安全可靠性的重要因素, 它在一定条件下, 会对结构的断裂特性、疲劳强度和形状尺寸精度等产生十分不利的影响。
2. 1 对结构刚度的影响
当外载产生的应力σ与结构中某区域的残余应力叠加之和达到屈服点f y 时, 这一区域的材料就会产生局部塑性变形, 丧失了进一步承受外载的能力, 造成结构的有效截面积减小, 结构的刚度也随之降低[6]。结构上有纵向和横向焊缝时(例如工字梁上的肋板焊缝) , 或经过火焰校正, 都可能在较大的截面上产生残余拉伸应力, 虽然在构件长度上的分布范围并不太大, 但是它们对刚度仍然能有较大的影响。特别是采用大量火焰校正后的焊接梁, 在加载时刚度和卸载时的回弹量可能有较明显的下降, 对于尺寸精确度和稳定性要求较高的结构是不容忽视的。2. 2 对受压杆件稳定性的影响
当外载引起的压应力与残余应力中压应力叠加之和达到f y 。这部分截面就丧失进一步承受外载的能力, 继续承载的杆件的有效截面积减少, 杆件刚度降低, 稳定承载力降低[7]。残余应力对受压杆件稳定承载力的影响大小, 与残余应力的分布有关。
残余应力是一个不稳定的应力状态, 当构件受到外力、温度等其它因素作用时, 由于这些作用应力与残余压应力的相互作用, 使构件某些局部呈现塑性变形, 截面内残余应力重新分布, [8]。过程中残余应力将发生松弛, 所以残余应力影响着构件稳定性。这也是工程部门最关心的问题之一。
残余应力对构件变形的影响包括两个方面:一方面是构件抗静、动载荷的变形能力; 另一方面是载荷卸载后变形恢复的能力。残余应力在这两个方面对构件的影响是很大的, 因此人们一直在研究消除这些影响的有效方法。2. 3 对静载强度的影响
如果材料是脆性材料, 由于材料不能进行塑性变形, 随着外力的增加, 构件中不可能应力均匀化。应力峰值将不断增加, 直至达到材料的屈服极限, 发生局部破坏, 最后导致整个构件断裂。脆性材料残余应力的存在, 会使承载能力下降, 导致断裂。对于塑性材料, 在低温环境下存在三向拉伸残余应力的作用, 会阻碍塑性变形的产生, 从而也会大大降低构件的承载能力。
对于焊接构件, 只要构件和焊道本身具有较好的塑性变形能力(没有低温、动荷载等使钢材变脆的不利因素) , 残余应力不会降低构件的静力强度[10]。因为有残余应力的构件承受逐渐增大的轴心拉力时, 外荷载引起的拉应力将叠加截面的残余应力。在加载过程中, 应力不断增加, 当叠加总应力达到材料的屈服极限f y , 构件中存在残余拉应力的截面提前进入塑性区, 后增长的外荷载仅由截面的弹性区承担, 随荷载的增大, 弹性区减少, 塑性区增大, 内部应力不断叠加, 应力发生重新分布, 直至整个截面上的应力达到材料的屈服极限f y 时为止。由于截面残余应力为自相平衡应力分布, 故静力荷载相等, 即残余应力不会降低构件的静力强度。但是塑性材料在一定条件下会失去塑性, 变成脆性或者构件材料塑性较低, 残余应力将会影响构件的静力强度。因为构件无足够的塑性变形产生, 在加载过程中应力峰值不断增加, 直至达到材料强度极限后发生破坏因而残余应力对其有影响。2. 4 对疲劳强度的影响
钢材在循环应力多次反复作下裂缝生成、扩展以致断裂破坏的现象称为钢材的疲劳。残余应力的存在使变荷载产生的应力与残余应力叠加后, 应力幅值产生变化, 将对结构抗疲劳强度产生影响[2]。因此, 如应力集中处存的着残余拉应力较大, 疲劳强度就降低。应力集中系数越高, 残余应力的影响也就越显著, 因此, 提高疲劳强度, 不仅应从调节和消除残余应力着手, 而且应从工艺和设计上来降低结构的应力集中系数, 从而降低残余应力对疲劳强度的不利影响。2. 5 对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响
机械加工把一部分材料从焊件上切除时, 此处的应力也被释放。残余应力的原来平衡状态被破坏, 焊件产生变形, 加工精度受影响。组织稳定的低碳钢及奥氏体钢焊接结构在温室下的应力松弛微弱, 因此内应力随时间的变化较小, 焊件尺寸比较稳定[7]。低碳钢在室温下长期存放, 屈服应力数值为F Y 的原始应力可能松弛2. 5%～3%,如果原始应力较低, 则松弛的比值将有所减少, 但若环境温度升高至1000℃,松弛的比值将成倍增加。
2. 6 对构件脆性的影响
脆性破坏是指构件在几乎不存在塑性变形情况下突然开裂, 并快速在整个截面内传播直至破坏。它在低温或者变形速率增加情况下最容易发生。
焊接结构中残余应力的存在(残余应力较高时可达f y ) 时, , , 屈
服。这部分截面在塑性变形后, 材料的塑性变形能力降低, 呈
脆性。因此, 残余应力的存在, 使部分截面出现脆性性能, 加剧了构件脆性破坏的可能性。
4 展望
焊接连接是钢结构及钢-混组合结构的重要连接手段。因此, 有效降低和消除焊接残余应力对结构的影响是关系结构安全和寿命是很有必要的。目前常用的方法有从设计和从制造, 加工方面采取相关措施。但是鉴于操作条件的限制, 方法还需再探寻。同时, 焊接结构在焊接残余应力等的共同作用下, 连接节点常常是断裂破坏的发源地, 可见, 焊接残余应力对于节点的影响还需要根入的研究, 以便对结构的影响降到最低点。
3 国内外关于焊接残余应力的研究
3. 1 国内关于焊接残余应力的研究
近年来国内对焊接残余应力的研究也有进展:陈宏2000年对高层钢结构在地震作用下的脆断机理及抗震性能进行了研究[11]。安俊伟[5]用有限元模拟了实际钢结构梁柱焊接节点残余应力、应力场, 并借助Push -ove r 方法对钢框架结构进行结构力学框架内的分析, 得到了与结构控制点水平位移相对应的杆件位移, 及其内力为边界条件并在叠加了焊接残余应力的情况下进行了梁柱节点的抗震性能研究。同时还分析了焊接残余应力对厚壁冷弯方钢管柱的承载性能, 对焊接残余应力和冷弯残余应力进行了研究, 接着分别研究了冷弯残余应力、初始缺陷和焊接残余应力影响下的厚壁单焊缝冷弯槽钢焊接组合轴心受压构件的承载力性能, 以及焊接残余应力、冷弯残余应力、初始缺陷共同作用下的双焊缝厚壁冷弯方、矩形管受压构件的承载力性能。
佘昌莲[13]对焊接过程产生的温度场、应力场以及焊后残余应力进行了三维实时动态模拟的研究, 提出了基于A NSY S 平台的焊接温度场、焊接残余应力的模拟分析方法, 并对某化学品船的货舱结构的舱壁与底板的T 型角接焊缝(高强钢焊接结构) 进行了实例计算, 而且通过与残余应力测量值的比较分析, 得出数值模拟结果与试验测量基本相吻合。
汤夕春[14]对钢结构中的梁、柱稳定理论做了一个较系统的阐述, 之后归纳了残余应力的一些研究成果, 然后运用AN -SY S 通用有限元软件包, 在考虑了初始几何缺陷情况下, 分析了抛物线热轧残余应力分布中的残余应力峰值对梁、柱构件极限承载力的影响, 在前人研究归纳出的各种H 型钢的不同的残余应力分布的基础上, 比较分析了两种焊接H 型钢和热轧H 型钢构件的极限承载力大小。3. 2 国外关于焊接残余应力的研究
2000年J . Z hang 和P . Do ng 对焊接结构的残余应力进行了研究, 研究表明由于有衬板的存在, 焊缝与柱表面间的尖锐槽口的存在, 导致焊缝根部的拉应力很高; 若施焊结束后将衬板移除, 结果显示:焊接残余应力进行了重新分配, 并且切口处的应力峰值有所降低, 最大降幅为18%[7]。
到目前为止, 国内外对焊接残余应力对方钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能影响的研究很少, 安俊伟[5]从热学角度分析了焊接时产生的残余应力对于结构抗震性能的研究。(上接第55页)
检测和加固后的检测。加固前的检测能为原有结构的抗震可靠性分析提供依据, 从而确定出良好的加固方案, 加固后的检测能对加固操作效果做出客观的评价, 保证抗震加固的达到预定的要求。
参考文献
[1]张俊宝. 基于P ush -ove r 分析的梁柱焊接节点抗震性能研究[D ].天津:天津大学, 2003.
[2]宋天民. 焊接残余应力的产生与消除[M ].北京:中国石化出版社, 2005.
[3]张家旭. 钢结构[M ].北京:中国铁道出版社, 1997:48-50.
[4]陈骥. 钢结构稳定理论与设计[M ].北京:科学出版社, 2001:49-51. [5]安俊伟. 焊接残余应力对梁柱节点抗震性能的影响[D ].天津:天津大学, 2005.
[6]陈士林, 方山峰. 纯弯L 字形薄壁钢梁局部与整体的相关屈曲[J ].武汉水利电力学院学报, 1992. 25(1) :54-61.
[7]于亮. 变截面工字钢梁的弹塑性局部与整体相关稳定承载力[D ].北京:清华大学, 2001. [8]陈骥. 钢结构稳定理论与设计[M ].北京:科学出版社, 2001:49-51.
[9]周正杰. 焊接工字钢偏心受压构件考虑残余应力的弯扭屈曲[D ].北京:清华大学, 1987.
[10]郭兵, 顾强, 苏明周. 焊接I 形梁在纯弯作用下的腹板高厚比限值及极限承载力[J ].工业建筑, 2000, 3(9) .
[11]陈宏. 高层钢结构节点地震脆断机理及抗震性能研究[M ].北京:清华大学, 2000.
[12]佘昌莲. 焊接结构的残余应力研究[D ].武汉理工大学, 2006.
[13]J . Z hang and P . Do ng . Residual stresses in welded moment fr ames and implications fo r str uctural perfo rmance [J ]. ASCE , ma rch , 2000.
[14]汤夕春. 残余应力对H 型钢梁柱构件极限承载力影响研究[D ].武汉理工大学, 2006. 程抗震与加固改造[J ].2005, 27(1) , 56-62.
[4]顾渭键, 马满福. 改变结构体系的房屋增层加固抗震设计[J ].工程抗震. 1996,(3) , 26-31.
[5]黄凌波. 多种加固技术在建筑结构中的应用[J ].建设科技. 2002,(3) , 82-83.
[6]侯东君. 论钢筋混凝土结构加固新技术应用评述[O L ].万维网.
[7]邵莲芬, 丁红. 多层混凝土框架结构抗震加固技术实用性研究[J ].建筑与结构设计. 2009,(3) . 46-49.
[8]滕锦光等著; 李荣, 滕锦光, 顾磊译. F RP 加固混凝土结构=F RP Streng thened Rc Str uctures /[M ]. 北京:中国建筑, 参考文献
[1]刘伟庆, 薛彦涛. 钢筋混凝土结构抗震加固技术究[J ]. 工程抗震. 1996, 3, 10-14.
[2]殷惠光, 姚青, 李秉南. 混凝土框架结构抗震加固设计若干问题的探讨[J ].徐州工程学院学报. 2006, 21(6) , 2-4.
, .