高強(qiáng)鋼殘余應(yīng)力模式及影響因素

羅建旭

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

鋼構(gòu)件在焊接過程中，焊件上產(chǎn)生局部高溫的不均勻溫度場導(dǎo)致焊件不均勻的膨脹和收縮。高溫區(qū)的鋼材產(chǎn)生較大的膨脹和伸長，但受到臨近低溫區(qū)鋼材的約束而產(chǎn)生熱塑變形，進(jìn)而產(chǎn)生較高的溫度應(yīng)力，此溫度應(yīng)力在焊接過程中隨時間和溫度的變化而不斷變化。冷卻后，將會形成殘存于焊件內(nèi)部的一種自相平衡的內(nèi)應(yīng)力，此應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力。

殘余應(yīng)力會降低構(gòu)件的剛度，還可能降低受壓構(gòu)件的極限承載力，并且在動載荷作用下會降低構(gòu)件的耐久性。因此，研究殘余應(yīng)力分布模型對于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計是必要的，特別是對高強(qiáng)度鋼材。雖然屈服強(qiáng)度不大于400 MPa的焊接普通鋼構(gòu)件的殘余應(yīng)力進(jìn)行了廣泛的研究，但對于高強(qiáng)度鋼材殘余應(yīng)力的研究還很少。高強(qiáng)度鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與普通鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線不同，普通強(qiáng)度鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有明顯的屈服平臺和強(qiáng)化階段，隨著鋼材強(qiáng)度的提高，屈服平臺長度逐漸縮短，且抗拉強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變值逐漸減小，當(dāng)屈服強(qiáng)度繼續(xù)提高，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線已沒有明顯的屈服平臺，抗拉強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變值繼續(xù)減小。由于使用高強(qiáng)鋼有利于減小構(gòu)件尺寸、節(jié)省建筑空間，因此其多用于高層建筑，大跨度建筑和橋梁工程中。為了安全有效的使用高強(qiáng)鋼，準(zhǔn)確評估殘余應(yīng)力對高強(qiáng)度鋼構(gòu)力學(xué)件性能的影響非常重要。

1 殘余應(yīng)力的分布模式

可參照我國GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中采用的焊接殘余應(yīng)力分布模型，該模型是在美國和歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范相關(guān)殘余應(yīng)力分布模式的基礎(chǔ)上提出的，結(jié)合我國相關(guān)截面的試驗(yàn)研究，通過一定簡化得到的殘余應(yīng)力分布模式呈二次曲線分布(圖1)。該模型是基于普通強(qiáng)度鋼材焊接殘余應(yīng)力試驗(yàn)提出的，適用于普通強(qiáng)度鋼材，對于高強(qiáng)鋼焊接殘余應(yīng)力的分布模型，國內(nèi)外已有部分學(xué)者對高強(qiáng)鋼構(gòu)件截面殘余應(yīng)力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：高強(qiáng)鋼焊接殘余應(yīng)力分布模型與普通鋼材沒有明顯區(qū)別。

近年來，國內(nèi)外已有部分學(xué)者對高強(qiáng)鋼構(gòu)件截面的殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究。清華大學(xué)班慧勇[2-3]等學(xué)者對8個460 MPa鋼材焊接工字型截面試件和6個460 MPa焊接箱型

(a) 等邊箱形截面

(b) 工字形截面

截面試件的截面殘余應(yīng)力采用分割法進(jìn)行測量。結(jié)果表明：試件截面殘余應(yīng)力分布模式相比普通強(qiáng)度鋼材構(gòu)件截面殘余應(yīng)力分布模式?jīng)]有明顯的區(qū)別，但殘余應(yīng)力數(shù)值隨板件寬厚比和板件厚度的增大明顯減小，焊縫附近的最大殘余拉應(yīng)力小于鋼材的屈服強(qiáng)度，提出的殘余應(yīng)力分布模式(圖2)。同濟(jì)大學(xué)王彥博[5-6]等對3個460 MPa鋼材焊接工字型截面試件和3個460 MPa焊接箱型截面試件的截面殘余應(yīng)力同時采用盲孔法和分割法進(jìn)行測量，提出了簡化的分布模型(圖3)，其中α、α1、α2等分別表示殘余應(yīng)力與鋼材屈服強(qiáng)度的比值，β、β1、β2等分別表示殘余壓應(yīng)力與鋼材屈服強(qiáng)度的比值。東南大學(xué)薛加燁[4]等人對6個550 MPa和3個690 MPa高強(qiáng)鋼焊接箱型試件，8個550 MPa和4個690 MPa高強(qiáng)鋼焊接工字型試件的截面殘余應(yīng)力采用分割法進(jìn)行了測量。結(jié)果表明：高強(qiáng)鋼焊接箱型截面與H型截面構(gòu)件殘余應(yīng)力分布模式與普通鋼材構(gòu)件殘余應(yīng)力分布模式?jīng)]有明顯區(qū)別，可采用相同的分布模型，但各分布區(qū)的數(shù)值不盡相同，研究提出的殘余應(yīng)力分布模型見圖4，與清華大學(xué)石永久團(tuán)隊(duì)提出的殘余應(yīng)力分布模型類似。安徽工業(yè)大學(xué)曹現(xiàn)雷等人[7]對800 MPa高強(qiáng)鋼焊接箱截面殘余應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)研究，采用分割法測得殘余應(yīng)力的值，并且在分析中考慮寬厚比對殘余應(yīng)力的影響，提出的殘余應(yīng)力分布模型可見圖5。

(a) 等邊箱形截面

(b) 工字形截面

(a) 等邊箱形截面

(b) 工字形截面

(a) 等邊箱形截面

(b) 工字形截面

圖5 安徽工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)

2 殘余應(yīng)力的取值研究

關(guān)于焊接工字型截面翼緣焰切邊緣處最大殘余應(yīng)力值σfte，對于普通強(qiáng)度鋼構(gòu)件中鋼規(guī)取值為0.4fy～0.75fy。而對于高強(qiáng)鋼構(gòu)件，已有的研究成果表明：絕大多數(shù)試驗(yàn)值明顯小于0.3fy，班慧勇等根據(jù)460 MPa試件的實(shí)測數(shù)據(jù)提出：σfte取值為35 MPa，薛加燁等根據(jù)Q550和Q690試件的實(shí)測數(shù)據(jù)提出：σfte取為100 MPa。此外，班慧勇等結(jié)合國內(nèi)外已有的實(shí)測結(jié)果提出：當(dāng)fy<800時，σfte取為50 MPa，當(dāng)fy>800時，σfte取為0.3fy。

關(guān)于焊接工字型和箱型截面最大殘余應(yīng)力值σfc和σwc，對于普通強(qiáng)度工字型截面構(gòu)件，我國GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》σfc和σwc取為-0.2fy，對于普通箱型截面，GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》σfc和σwc取為-0.53fy。而對于高強(qiáng)鋼構(gòu)件，已有的研究成果表明：高強(qiáng)鋼焊接截面殘余壓應(yīng)力值σfc和σwc與普通強(qiáng)度鋼材在絕對數(shù)值上的差別不大，與鋼材取取暖強(qiáng)度的應(yīng)力比小于普通強(qiáng)度鋼材，且高強(qiáng)鋼殘余壓應(yīng)力值隨板件寬厚比和板件厚度的增大明顯減小。

3 影響殘余應(yīng)力的因素

影響殘余應(yīng)力的因素一般考慮三個方面，其中寬厚比和板件厚度的影響較大，焊縫類型對殘余應(yīng)力的影響較小。

(1)寬厚比對殘余應(yīng)力的影響：隨著板件寬厚比的增大，相應(yīng)的殘余應(yīng)力數(shù)值會明顯降低，當(dāng)寬厚比大到一定程度時，殘余應(yīng)力的數(shù)值很小但降低的趨勢不再明顯，而目前針對普通強(qiáng)度鋼材的殘余應(yīng)力分布模式并沒有考慮這一影響因素。試件焊縫附近最大殘余應(yīng)力以及翼緣焰切邊的最大殘余應(yīng)力隨板件寬厚比的變化規(guī)律，可以看出二者并沒有直接的關(guān)系，這是由于殘余拉應(yīng)力主要由焊接或者焰切過程中局部區(qū)域產(chǎn)生的大量熱輸入造成的，截面其他位置通常不會產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，因而與截面尺寸沒有直接關(guān)系。

(2)板件厚度的影響：在焊縫類型和板件寬厚比一定的情況下，板厚對殘余壓應(yīng)力的大小有顯著的影響：板厚越大、壓應(yīng)力越小；但與殘余拉應(yīng)力的數(shù)值大小并沒有直接的關(guān)系。

(3)焊縫類型的影響：焊縫類型對殘余壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的數(shù)值影響不大。

4 結(jié)論

對焊接H型截面和焊接箱型截面的殘余應(yīng)力分布模式及其影響因素進(jìn)行了討論，并得到以下結(jié)論：

(1)對于高強(qiáng)鋼，國內(nèi)殘余應(yīng)力的分布模式主要有兩種，一種是由清華大學(xué)學(xué)者班慧勇等人提出的簡化直線模型和同濟(jì)大學(xué)李國強(qiáng)等提出的簡化折線模型，且前者的精確度高于后者。

(2)高強(qiáng)鋼焊接H型截面和焊接箱型截面的殘余應(yīng)力數(shù)值與普通鋼材差別不大，但隨著強(qiáng)度的提高，殘余應(yīng)力值與屈服強(qiáng)度的比值逐漸減小，這說明殘余應(yīng)力對高強(qiáng)鋼的影響與普通鋼材相比較弱。

(3)寬厚比和板件厚度對殘余應(yīng)力的影響相比焊縫尺寸的影響更大。