焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響

金小強(qiáng)

摘要：焊接殘余應(yīng)力是鋼結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中出現(xiàn)各種病變的主要原因之一，文章對(duì)焊接殘余在結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性、疲勞強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕開裂、動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)、固有頻率、結(jié)構(gòu)剛度等方向的影響進(jìn)行了較為詳細(xì)的綜述，為了解殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響提供了參考。

關(guān)鍵詞：焊接殘余應(yīng)力;承載能力;結(jié)構(gòu)性能

0引言

隨著國(guó)家的日益發(fā)展，現(xiàn)我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量位居世界第一，而在建筑領(lǐng)域中，又因鋼結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，塑性韌性好、施工周期短，制造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于各類現(xiàn)代建筑。焊接作為鋼結(jié)構(gòu)的主要連接方式之一，由焊接而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也必然普遍存在與鋼結(jié)構(gòu)中，探清焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響是安全設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)的前提。

1焊接殘余應(yīng)力對(duì)極限承載能力的影響

趙智力[1]等采用有限元方法研究了焊后拉伸條件下高強(qiáng)度鋼等匹配和低匹配對(duì)接接頭內(nèi)部應(yīng)力的變化情況，結(jié)果顯示，焊后橫向、縱向拉伸載荷增至臨界失效載荷期間接頭焊接殘余應(yīng)力均不能完全調(diào)勻;因焊接殘余應(yīng)力的存在，高強(qiáng)度鋼等匹配焊接結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度會(huì)略有損失，高強(qiáng)度鋼低匹配焊接結(jié)構(gòu)將在低強(qiáng)焊縫的影響下?lián)p失更大的靜載強(qiáng)度。徐磊[2]等在耐壓殼極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式基礎(chǔ)上，采用數(shù)值計(jì)算模擬耐壓球殼的焊接過(guò)程，得到焊后球殼的焊接殘余應(yīng)力分布，并將其作為初應(yīng)力考慮殘余應(yīng)力對(duì)球殼極限強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，影響較小約5%，但對(duì)于安全系數(shù)較小的耐壓殼設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確預(yù)估焊接對(duì)耐壓強(qiáng)度的影響十分必要。

總得來(lái)說(shuō)，只要構(gòu)件和焊道本身具有較好的塑性變形能力，殘余應(yīng)力不會(huì)降低構(gòu)件的靜力強(qiáng)度。

2焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

彭崇梅[3]，數(shù)值模擬橋塔與主桁連接處焊接殘余應(yīng)力，并經(jīng)一定的簡(jiǎn)化，將其作為初應(yīng)力施加到結(jié)構(gòu)典型焊接細(xì)節(jié)上，分析其對(duì)鋼桁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力的影響，結(jié)果表明：初應(yīng)力同時(shí)施加于下橫梁和中桁架上弦桿時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)下降13%;焊接殘余應(yīng)力引起桁架結(jié)構(gòu)橋梁穩(wěn)定承載能力的下降幅度最大可達(dá)14%。

高永毅[4]根據(jù)非線性振動(dòng)和高等板殼理論，以具有對(duì)接焊接殘余應(yīng)力的非線性矩形薄板為研究對(duì)象，研究焊接殘余應(yīng)力對(duì)非線性構(gòu)件解的穩(wěn)定性影響，結(jié)果表明，具有焊接殘余應(yīng)力的非線性矩形簿板周期解的穩(wěn)定和不穩(wěn)定區(qū)域隨焊接殘余應(yīng)力大小變化而變化。

3焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響

蘇聯(lián)學(xué)者Kudryavtsev和Trufyakov[5]分別使用一系列含殘余應(yīng)力水平較高的縱向不承載角焊縫和對(duì)接焊縫接頭試件，行交變彎曲常幅疲勞試驗(yàn)，結(jié)果顯示應(yīng)力釋放工藝在200萬(wàn)次循環(huán)下可提高疲勞強(qiáng)度近150%，從而首次得出高值殘余拉應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致焊縫接頭長(zhǎng)壽命區(qū)疲勞強(qiáng)度大幅降低的結(jié)論。

Ohta[6]等的試驗(yàn)研究同樣證實(shí)了焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度具有重要影響，由于在實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)中常存在有達(dá)到母材屈服極限的殘余拉應(yīng)力，將大幅提高疲勞裂紋擴(kuò)展速率，而降低結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。

總的來(lái)說(shuō)，焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響如下[7]：①壓縮為主加載下的影響程度大于拉伸為主加載;②常幅加載下的影響程度大于變幅加載;③軸向加載下的影響程度大于彎曲加載;④高周加載下的影響程度大于低周加載;⑤接頭應(yīng)力集中低時(shí)的影響程度大于應(yīng)力集中高時(shí);⑥殘余及外加應(yīng)力多軸率高時(shí)的影響程度大于多軸率低時(shí);⑦對(duì)復(fù)雜、厚壁結(jié)構(gòu)的影響程度大于簡(jiǎn)單、薄壁結(jié)構(gòu)。

4焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)開裂的影響

郭瑞[8]通過(guò)有限元利用導(dǎo)入預(yù)應(yīng)力法對(duì)核電一回路壁厚為74mm的壓力容器安全端焊接接頭中的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行模擬，計(jì)算分析焊接殘余應(yīng)力作用對(duì)安全端焊接接頭中SCC裂紋尖端主要力學(xué)參量的影響。結(jié)果表明，裂紋尖端應(yīng)力、應(yīng)變以及J積分均與殘余應(yīng)力的分布規(guī)律有很大的關(guān)聯(lián)性;當(dāng)裂紋長(zhǎng)度小于管壁厚度的三分之一時(shí)，裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變和斷裂參量隨裂紋長(zhǎng)度增加而增大，后趨于平穩(wěn);當(dāng)裂紋長(zhǎng)度接近30mm時(shí)裂紋尖端法向應(yīng)力由正變負(fù)，裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變隨裂紋長(zhǎng)度的增大而減小，有可能造成SCC裂紋擴(kuò)展停滯。

5焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的影響

劉嘉[9]以銅九線鄱陽(yáng)湖鐵路鋼桁架橋梁為研究背景，采用雙橢球熱源模型，模擬橋梁焊縫區(qū)域的焊接殘余應(yīng)力分布，并將其與列車過(guò)橋時(shí)的實(shí)測(cè)動(dòng)應(yīng)力疊加，施于橋梁節(jié)點(diǎn)精確有限元模型上，分析不同焊接殘余應(yīng)力作用下該橋危險(xiǎn)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)。結(jié)果表明：動(dòng)應(yīng)力疊加不同百分比的焊接殘余應(yīng)力下，等效應(yīng)力曲線變化規(guī)律相似，但其值隨殘余應(yīng)力的增加而增大，其中考慮百分之百的殘余應(yīng)力等效應(yīng)力值將增大約十倍。陳章蘭[10]以686TEU集裝箱船為例，通過(guò)在大合攏縫橫剖面上施加50MPa和100MPa的名義焊接殘余應(yīng)力，進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。結(jié)果表明，焊接熱效應(yīng)使固有頻率降低，應(yīng)力處于低水平時(shí)，降低幅度在5%以內(nèi);而在高應(yīng)力水平時(shí)，降低幅度為7.5%。

6焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響

姚茜[11]利用Ansys分析球—管連接節(jié)點(diǎn)殘余應(yīng)力，并將其作為初應(yīng)力施加在節(jié)點(diǎn)軸向加載過(guò)程中，最終得出節(jié)點(diǎn)的荷載位移曲線，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)構(gòu)件還處于彈性階段時(shí)，焊接殘余應(yīng)力對(duì)節(jié)點(diǎn)的彈性軸向剛度幾乎無(wú)影響。但當(dāng)構(gòu)件進(jìn)入屈服還未破壞時(shí)，接殘余應(yīng)力對(duì)其軸向剛度的影響十分明顯。

陳章蘭[10]則是從理論上結(jié)合虛功原理推導(dǎo)了受焊接熱效應(yīng)影響的焊縫單元?jiǎng)偠染仃?，證實(shí)了焊接殘余應(yīng)力對(duì)剛度的影響。

結(jié)論

焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性、疲勞強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕開裂、動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)、固有頻率、結(jié)構(gòu)剛度等均有著較大的負(fù)面影響，在設(shè)計(jì)中不能忽視，在實(shí)際工程中應(yīng)采取恰當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力控制及消除技術(shù)，最大限度地減少殘余應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)的安全性。

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