基于振動時效工藝的正交異性鋼橋面板殘余應力調控

陳 利

(中鐵十八局集團第二工程有限公司工程管理部,河北省唐山市豐潤區光華道28號 064000)

正交異性鋼橋面板具有自重輕、整體性好、承載力大、施工速度快等優點,已成為現代鋼橋橋面結構的主要形式[1-2]。正交異性鋼橋面板由面板、縱肋、橫肋等部件組成,這些部件常通過焊接連接在一起。焊接是一個不均勻的加熱與冷卻過程,焊接冷卻后,工件在焊縫區存在高達材料屈服強度的殘余應力[3],該應力稱之為“焊接殘余應力”。焊接殘余應力對正交異性鋼橋面板的疲勞性能、耐應力腐蝕性能及尺寸穩定性等都有不利的影響。如正交異性鋼橋面板的典型疲勞裂紋多發生于焊接殘余應力較大、應力集中的焊縫位置[4-5]。因此,有必要對正交異性鋼橋面焊接殘余應力進行調整。

目前,用于橋梁鋼結構焊接殘余應力調整的措施有錘擊、噴丸(砂)及超聲沖擊等。錘擊是通過小錘輕擊焊縫來調整殘余應力。噴丸(砂)通過高速粒子沖擊來降低焊縫處較高的表面殘余拉應力。錘擊與噴丸在橋梁工程中主要是為了除銹,較少用于殘余應力調控,也缺少對調整效果的定量評價。超聲沖擊是通過高頻超聲產生的沖擊來調整焊縫殘余應力。該方法對材料表面的殘余應力的調整效果較好,但沖擊需要沿焊縫各部位逐點進行,容易受操作空間的限制,該方法僅用于橋梁特殊位置的焊縫處理。如粉房灣長江大橋縱梁錨拉板和弦桿翼緣板焊縫的處理[6],西堠門大橋的箱梁U肋及錨箱區域焊縫的處理[7]。

除上述方法外,理論上可用于橋梁鋼結構焊接殘余應力調整的工藝還有振動時效。該工藝通過振動產生附加應力,當附加應力與殘余應力之和達到或超過材料屈服強度時,就會發生宏觀或微觀的塑性變形,從而減小和均勻化殘余應力[8]。振動時效工藝具有費用低、耗時短、操作簡單等優點,已廣泛地用于壓力容器、航空航天、鑄件設備等殘余應力的調整[9],但鮮有在橋梁中的應用實例。因此,為降低正交異性鋼橋面板的焊接殘余應力,同時為檢驗振動時效工藝的有效性,文中基于足尺模型,嘗試采用振動時效工藝對焊接殘余應力進行了調整,并用盲孔法殘余應力測試對振動時效的效果進行了評定。

1 振動時效試驗

1.1 試驗模型

正交異性鋼橋面板模型為足尺模型,如圖1所示,模型寬2.05m,長4m,由1塊面板、2塊橫隔板、3個U肋組成,面板、橫隔板厚14mm,U肋厚8mm,材質均為Q345。

圖1 正交異性鋼橋面板模型尺寸Fig.1 Model dimension of orthotropic steel bridge deck

1.2 振動時效設備

該試驗所采用的振動時效設備為濟南博納機電全自動振動時效儀。該設備的電機功率為1.2kw、調速范圍1000～8000r·min-1、最大激振力15kN、可測加速度0～2000m·s-2。該設備主要由激振器、拾振器、控制器三部件組成,如圖2所示。

圖2 振動時效設備Fig.2 Apparatus of VSR

激振器是施加激振力的設備,應布置在使工件獲得最佳激振效果的位置,但激振源與工件耦合振動下的最佳效果位置難以準確定位。實際操作中,常依據國標GB/T 25712-2010的規定[10],將激振器布置在“端角或邊緣”等振幅較大的位置。結合模型特點,激振器安裝在模型端部與U肋相接的面板上。拾振器是測試振動加速度的元件,應布置在遠離激振點的位置,該試驗拾振器安裝在遠離激振點的面板另一端。激振器與拾振器都連接在控制器上?？刂破魇菍φ駝訒r效工藝參數進行控制的儀器。

1.3 振動時效工藝參數

振動時效工藝參數,包括激振頻率、激振荷載幅值以及激振力等,對殘余應力的調整效果具有顯著的影響。

激振頻率越接近工件固有頻率,振動時效對殘余應力的調控效果越好。為獲得最佳調控效果,按照國標GB/T 25712-2010的推薦方法,從設備能激發的最小頻率到最大頻率全程范圍內進行掃頻,將能激發最大振幅的共振頻率作為激振頻率。經現場多次測試,該試驗激振頻率確定為59.2Hz。激振荷載幅值越大,殘余應力降低的效果越好,但過大的激振荷載有可能引發工件的疲勞損傷。綜合考慮,該試驗激振荷載幅值取為0.3MPa。激振力的選取與工件材料有關,對于焊接鋼材工件,激振力一般為68.65～98.07MPa[11]。在此范圍內,該試驗激振力取為0.25倍材料屈服強度,為86.25MPa。

按循環荷載的波形,激勵荷載可分為正弦波、三角波及脈沖波等類型。由于工程中正弦波最容易施加,加之激勵類型對應力調控的影響較小,故文中采用最容易施加的正弦波進行激振。該試驗振動時效工藝參數見表1。

表1 振動時效工藝參數

為防止模型在振動過程中出現跳動,該試驗在2塊橫隔板的角點位置放置了4個橡膠隔震塊。這些隔震塊不僅為模型提供了穩定的支撐,還確保了模型在振動時不會與地面發生碰撞。

1.4 振動時效效果評定

1.4.1 評定方法

根據GB/T 25712-2010[10],振動時效效果評定方法有3種:參數曲線觀測法、工件尺寸穩定性檢測法和殘余應力檢測法。參數曲線觀測法是根據振幅時間曲線或振幅頻率曲線來評定;工件尺寸穩定性檢測法是通過比較振動時效前、后工件尺寸的穩定性來評定;殘余應力檢測法用工件殘余應力在振動前、后的變化來評定。由于殘余應力檢測法可直接反映振動時效工藝對焊接殘余應力的影響,所以該試驗選用此方法來檢驗振動時效效果。

盲孔法[11]具有對工件的損傷小、操作簡單、測試成本低等優點,該試驗選用盲孔法來測試殘余應力。盲孔法先在材料表面粘貼應變計,如圖3所示,然后以O點為中心進行鉆孔。若材料為各向同性,且鉆孔前、后都處于線彈性范圍,則根據G.Kirsch公式[12],測點位置的殘余應力可表示為:

(1)

圖3 盲孔法測試用應變計[11]Fig.3 The strain gauge for blind-hole method[11]

式中,σ1、σ2為主應力;β為主應力方向角;A、B為應變釋放系數;ε1、ε2、ε3為測試應變。

由式(1)可以看出,除測試應變外,σ1、σ2主要由A、B確定。對于平面應力狀態,若材料處于線彈性范圍,A、B系數可參考文獻[12],由公式求出;若材料發生了塑性變形,A、B系數可參考文獻[13],通過不同應力水平下A、B系數的分級標定來確定。

(2)

(3)

應力消除率Rsr反映振動時效對殘余應力大小的影響程度,其表達式為:

(4)

應力均化率Rsl用于表征振動時效對殘余應力的均勻化程度,其表達式為:

(5)

式中:D為殘余應力離散度,根據式(6)計算。

(6)

1.4.2 測試區域

測試區域應根據焊接殘余應力的分布特征來設置。焊接殘余應力在垂直焊縫方向的分布如圖4所示,圖中σz為沿焊縫方向的應力,稱為焊接縱向殘余應力,該方向的應力也是焊接殘余應力的主要表現形式。

圖4 σz沿垂直焊縫方向的典型分布Fig.4 Typical distribution of σz along with the weld vertical direction

從圖4可以看出:在焊縫區,σz為梯度很大的拉應力,但拉應力寬度很小,不超過5cm;在遠離焊縫的區域,σz為大小較均勻,約40MPa的壓應力。因此,根據此特點,為檢驗振動時效對遠離焊縫區域焊接殘余應力的影響,設置測試區域Zone 1,如圖5(a)所示。Zone 1位于面板上表面,振動時效前、后的測點個數均為10個。

(a)Zone 1

焊縫區σz的應力梯度較大,而GB/T 25712-2010規定[10]檢測點在10倍盲孔直徑范圍內的應力梯度不應太大,所以不能像Zone 1那樣沿垂直焊縫方向布置測點,來檢驗振動時效的效果。不過,由于長焊縫中段(除起弧、熄弧段)的焊接殘余應力具有均勻化的特征,所以根據此特征,在焊接線上設置測試區域Zone 2,如圖5(b)所示,以檢驗振動時效對焊縫區焊接殘余應力的影響。此區域同樣位于面板上,振動時效前、后的測點數量均為10個。

為直觀地評定振動時效對焊縫上殘余應力的影響,根據長焊縫中段焊接殘余應力的均勻化特點,設置測試區域Zone 3,如圖5(c)所示。該區域位于角焊縫表面,振動時效前、后的應力測點均為7個。

需要說明的是,圖5中Zone 1～3所示測點包含了部分失效的測點,如出現鉆孔偏心過大、應變測試異常等測點,但前述測點數量不包含失效測點。

1.4.3 殘余應力測試設備

該試驗殘余應力測試采用BSF120-1.5CA-T應變片;鉆孔選用RSD-1鉆孔儀;應變測量選用ASM2-30應變儀。

2 試驗結果與分析

振動時效處理前、處理后,測試區域Zone 1～3的殘余應力變化如表2、表3所示。

表2 振動時效前后測試區域殘余應力變化(MPa)Tab.2 Variation of residual stresses in measurement zones before and after vibrating(MPa)

表3 振動時效效果評定參數

綜合分析Zone 1、Zone 2的應力變化可以發現,振后焊縫區的應力峰值均有顯著的降低,而遠離焊縫區的應力反而略有增加。由圖4可知,焊縫區的σz應力為拉應力,遠離焊縫區的σz應力為壓應力。產生此現象的原因可能是振后焊縫區的拉應力寬度變大,盡管其峰值減小,但拉應力的合力增大,所以為了保持殘余應力的自平衡,在應力重分布作用下,遠離焊縫區的應力發生了增大。

綜上所述,正交異性鋼橋面板焊縫區的殘余應力較大,焊縫區的應力達到或超過材料的屈服強度。振動時效后,焊縫區的應力均減小到屈服強度以下,且應力分布也更加均勻。由此可見,振動時效工藝能有效地減小焊縫區較大的殘余拉應力,在橋梁鋼結構中具有一定的應用潛力。

3 結語

1)正交異性鋼橋面板焊縫區的殘余應力較大,達到或超過材料的屈服強度。振動時效后,面板焊縫區及焊縫表面的殘余應力均降低到屈服強度以下,也變得更加均勻,且應力水平越高,振動時效的效果越好。振動時效后,遠離焊縫區的應力有少量的增加,但仍保持在較低的應力水平。

2)由于盲孔法只能測試材料表面的殘余應力,所以該試驗未研究振動時效對材料內部應力的減小效果。不過已有大量文獻指出此工藝對材料內部應力的處理也有效[8],這個優勢是橋梁工程中采用的超聲沖擊工藝所不能比擬的,因為超聲沖擊只能降低材料表面的殘余應力。因此,鑒于振動時效可以大幅降低焊縫區較大的殘余拉應力,結合該工藝本身的經濟性、便捷性及對材料內部應力處理的有效性,建議可將其應用于橋梁鋼結構的焊接殘余應力調整中。