高強鋼殘余應力模式及影響因素

羅建旭

(西南交通大學，四川成都 610031)

鋼構件在焊接過程中，焊件上產生局部高溫的不均勻溫度場導致焊件不均勻的膨脹和收縮。高溫區的鋼材產生較大的膨脹和伸長，但受到臨近低溫區鋼材的約束而產生熱塑變形，進而產生較高的溫度應力，此溫度應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部的一種自相平衡的內應力，此應力稱為焊接殘余應力。

殘余應力會降低構件的剛度，還可能降低受壓構件的極限承載力，并且在動載荷作用下會降低構件的耐久性。因此，研究殘余應力分布模型對于鋼結構設計是必要的，特別是對高強度鋼材。雖然屈服強度不大于400 MPa的焊接普通鋼構件的殘余應力進行了廣泛的研究，但對于高強度鋼材殘余應力的研究還很少。高強度鋼材的應力-應變曲線與普通鋼材的應力-應變曲線不同，普通強度鋼材的應力-應變曲線有明顯的屈服平臺和強化階段，隨著鋼材強度的提高，屈服平臺長度逐漸縮短，且抗拉強度對應的應變值逐漸減小，當屈服強度繼續提高，其應力-應變曲線已沒有明顯的屈服平臺，抗拉強度對應的應變值繼續減小。由于使用高強鋼有利于減小構件尺寸、節省建筑空間，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鋼，準確評估殘余應力對高強度鋼構力學件性能的影響非常重要。

1 殘余應力的分布模式

可參照我國GB 50017-2003《鋼結構設計規范》中采用的焊接殘余應力分布模型，該模型是在美國和歐洲鋼結構設計規范相關殘余應力分布模式的基礎上提出的，結合我國相關截面的試驗研究，通過一定簡化得到的殘余應力分布模式呈二次曲線分布(圖1)。該模型是基于普通強度鋼材焊接殘余應力試驗提出的，適用于普通強度鋼材，對于高強鋼焊接殘余應力的分布模型，國內外已有部分學者對高強鋼構件截面殘余應力進行了試驗研究，研究結果表明：高強鋼焊接殘余應力分布模型與普通鋼材沒有明顯區別。

近年來，國內外已有部分學者對高強鋼構件截面的殘余應力進行了研究。清華大學班慧勇[2-3]等學者對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力采用分割法進行測量。結果表明：試件截面殘余應力分布模式相比普通強度鋼材構件截面殘余應力分布模式沒有明顯的區別，但殘余應力數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力小于鋼材的屈服強度，提出的殘余應力分布模式(圖2)。同濟大學王彥博[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力同時采用盲孔法和分割法進行測量，提出了簡化的分布模型(圖3)，其中α、α1、α2等分別表示殘余應力與鋼材屈服強度的比值，β、β1、β2等分別表示殘余壓應力與鋼材屈服強度的比值。東南大學薛加燁[4]等人對6個550 MPa和3個690 MPa高強鋼焊接箱型試件，8個550 MPa和4個690 MPa高強鋼焊接工字型試件的截面殘余應力采用分割法進行了測量。結果表明：高強鋼焊接箱型截面與H型截面構件殘余應力分布模式與普通鋼材構件殘余應力分布模式沒有明顯區別，可采用相同的分布模型，但各分布區的數值不盡相同，研究提出的殘余應力分布模型見圖4，與清華大學石永久團隊提出的殘余應力分布模型類似。安徽工業大學曹現雷等人[7]對800 MPa高強鋼焊接箱截面殘余應力進行試驗研究，采用分割法測得殘余應力的值，并且在分析中考慮寬厚比對殘余應力的影響，提出的殘余應力分布模型可見圖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 安徽工業大學團隊

2 殘余應力的取值研究

關于焊接工字型截面翼緣焰切邊緣處最大殘余應力值σfte，對于普通強度鋼構件中鋼規取值為0.4fy～0.75fy。而對于高強鋼構件，已有的研究成果表明：絕大多數試驗值明顯小于0.3fy，班慧勇等根據460 MPa試件的實測數據提出：σfte取值為35 MPa，薛加燁等根據Q550和Q690試件的實測數據提出：σfte取為100 MPa。此外，班慧勇等結合國內外已有的實測結果提出：當fy<800時，σfte取為50 MPa，當fy>800時，σfte取為0.3fy。

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

3 影響殘余應力的因素

影響殘余應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，焊縫類型對殘余應力的影響較小。

(1)寬厚比對殘余應力的影響：隨著板件寬厚比的增大，相應的殘余應力數值會明顯降低，當寬厚比大到一定程度時，殘余應力的數值很小但降低的趨勢不再明顯，而目前針對普通強度鋼材的殘余應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力以及翼緣焰切邊的最大殘余應力隨板件寬厚比的變化規律，可以看出二者并沒有直接的關系，這是由于殘余拉應力主要由焊接或者焰切過程中局部區域產生的大量熱輸入造成的，截面其他位置通常不會產生殘余拉應力，因而與截面尺寸沒有直接關系。

(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，板厚對殘余壓應力的大小有顯著的影響：板厚越大、壓應力越??；但與殘余拉應力的數值大小并沒有直接的關系。

(3)焊縫類型的影響：焊縫類型對殘余壓應力和拉應力的數值影響不大。

4 結論

對焊接H型截面和焊接箱型截面的殘余應力分布模式及其影響因素進行了討論，并得到以下結論：

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

(2)高強鋼焊接H型截面和焊接箱型截面的殘余應力數值與普通鋼材差別不大，但隨著強度的提高，殘余應力值與屈服強度的比值逐漸減小，這說明殘余應力對高強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力的影響相比焊縫尺寸的影響更大。