焊接殘余應力對鋼橋面疲勞性能的影響與處理措施

鄭凱鋒,馮霄暘,何曉暉,衡俊霖,李 樂,王洪福

(1.西南交通大學 土木工程學院,成都 610036;2.深圳市市政設計研究院有限公司,廣東 深圳 518060;3.深圳大學 土木與交通工程學院,廣東 深圳 518060;4.代爾夫特理工大學 土木工程與地球科學學院,荷蘭 代爾夫特 2628 CN;5.中建五洲工程裝備有限公司,南京 210046)

正交異性鋼橋面是現代鋼橋的重要特征之一,它由頂板與加勁肋通過焊接形成的縱橫向剛度具有明顯差異的橋面系統,已在公路與鐵路大跨度橋梁中廣泛應用[1]。然而隨著鋼橋面服役時間增長,疲勞開裂現象普遍出現,其中以頂板與U肋連接焊縫、橫肋與U肋連接焊縫、橫肋開孔處疲勞開裂現象尤為突出[2]。因此,如何降低鋼橋面疲勞開裂風險是鋼橋領域的重要研究內容。

近年來,從鋼橋面局部構造形狀與荷載作用效應角度出發,提出了各有特色的改進型處理措施。局部構造形狀優化角度:1)頂板與U肋焊縫,厚邊U肋,U肋雙面焊,熱軋變截面U肋;2)橫肋與U肋焊縫,蝴蝶型開孔,U肋內測加肋型,轉移應力型,獨立開孔型。作用效應角度:UHPC鋪裝等。這些處理措施雖然從幾何突變與荷載作用效應角度上降低了車輛荷載所引起的疲勞應力幅,但從焊接角度出發依然存在進一步提高鋼橋面疲勞性能的潛力,即消除或降低殘余應力所引起的疲勞裂紋萌生與加速擴展。

正交異性鋼橋面是大量板件通過焊縫連接形成的鋼橋面系統。焊接過程中,金屬材料受到不均勻的加熱與冷卻,最終在其內部形成了大小不等,分布不均的焊接殘余應力,導致焊縫及其周邊熱影響區存在殘余拉應力、外圍母材存在殘余壓應力。此外,鋼橋面焊縫數量龐大,相應的大規模焊接作業不可避免地引入可觀且繁雜的殘余應力場?，F有理論和試驗研究表明:焊接殘余應力是正交異性鋼橋面連接焊縫疲勞開裂的重要因素之一[3]。

船舶與壓力容器領域對焊接殘余應力已有深入研究,其目前主流觀點認為:焊接殘余應力為自平衡應力,在焊縫及周邊為殘余拉應力,遠離焊縫區域為殘余壓應力;殘余應力不僅會導致結構產生變形,其拉應力成分還會加速疲勞裂紋萌生與擴展。文獻[4]與相關的試驗[5]研究表明,焊接殘余應力會產生松弛現象,其程度由材料特性、局部幾何形態以及外荷載所決定;當外荷載與局部殘余應力總和超過材料的屈服強度,殘余應力松弛通常在第一個加載周期內結束。因此,在考慮焊縫局部應力集中的情況下,荷載大小將決定殘余應力松弛程度。然而,上述高應力狀態在正交異性鋼橋面的實際運營過程中較為罕見,車輛荷載所引起的應力幅通常不超過30 MPa[6]。因此,在工程實踐中,可偏安全地忽略焊接殘余應力松弛現象對鋼橋面的影響。卞如岡等[7]通過雙參數裂紋擴展率公式定量計算分析殘余應力對結構疲勞壽命的影響,結果表明:殘余應力雖未改變裂紋擴展趨勢,但顯著加快裂紋擴展,進而導致焊接結構疲勞壽命的顯著縮短。同時,裂紋的不斷擴展會導致焊接殘余應力發生重分布,進而反過來影響裂紋擴展。相關研究[8]表明:當表面疲勞開裂后,殘余拉應力最大值逐漸過度至裂紋前緣處,且應力峰值不斷降低,對裂紋擴展的影響逐漸降低,此時外荷載成為裂紋擴展的主導因素。

綜上所述,通過采用焊后處理措施消除殘余應力,有望顯著延緩鋼橋面焊縫疲勞裂紋萌生和開展。然而,退火處理鋼橋面的相關試驗數據較缺乏,尚待開展較為深入的對比試驗研究。本文首先回顧介紹正交異性鋼橋面焊接殘余應力的分布,闡述縱橫向殘余應力對鋼橋面疲勞裂紋擴展的影響。其次,總結國內外消除殘余應力的方法。最后,提出針對鋼橋面的焊后退火處理措施,開展退火、未退火試件的殘余應力測試與疲勞對比試驗,分析與探討焊后退火處理對鋼橋面疲勞性能的影響。

1 鋼橋面焊接殘余應力的分布

焊接是鋼橋面制造不可或缺的加工工藝,在焊接過程中金屬材料受到不均勻加熱與冷卻,在其內部最終形成大小不等,分布不均的焊接殘余應力,如圖1所示。由于焊接過程的復雜性,所形成的焊接殘余應力很難單獨從數值模擬出發進行定量分析。因此,為準確把握鋼橋面焊接殘余應力的分布模式,本節將從試驗角度對沿焊縫方向、垂直焊縫方向的殘余應力分布模式進行詳細梳理與總結。

圖1 焊接殘余應力形成原理

鋼橋面頂板與U肋連接焊縫疲勞裂紋往往在頂板焊趾處萌生,隨著加載次數的增加裂紋沿板厚方向與順焊縫方向擴展,因此頂板焊趾處殘余應力分布模式對疲勞裂紋擴展起至關重要的影響。

1.1 垂直焊縫方向殘余應力分布

鋼橋面頂板下表面焊趾處垂直焊縫方向的焊接殘余拉應力峰值并未達到鋼材的屈服強度,隨著距離的增加殘余拉應力逐漸減小,在距離焊趾約25 mm處殘余應力趨近于零,如圖2所示。

圖2 垂直焊縫方向殘余應力分布

早期日本北田俊行等[9]采用條分法,分別以不同材料(SM50Y、SS41)與不同頂板厚度(12 mm,14 mm)為參量,進行了3組足尺模型(包含3個U肋與2個橫隔板)試驗,試驗結果表明:頂板與U肋連接焊縫焊趾處垂直焊縫方向的殘余拉應力為0.6倍的屈服強度,且其與材料的種類無關。隨后在多多羅大橋設計階段大橋治一等[10]同樣采用條分法進行了2組足尺模型的殘余應力測試,其中一組包含3個U肋,頂板厚12 mm,U肋厚6 mm用于疲勞試驗,另一組包含1個U肋,頂板厚14 mm,U肋厚8 mm用于壓縮屈曲試驗,焊腳尺寸均為6 mm,鋼材為SS440,試驗結果表明:垂直焊縫方向最大焊接殘余拉應力可達鋼材屈服強度的0.6倍。

隨后周思廷[11]采用盲孔法對足尺單U肋試件(Q345qD)進行殘余應力測試,其中頂板厚度14 mm,U肋厚度8 mm,焊腳尺寸8 mm,在距焊趾10 mm位置處測的垂直焊縫方向殘余應力為92 MPa。鐘雯等[12]采用盲孔法對足尺雙U肋模型(Q379qE)進行測試,其中頂板厚度16 mm,U肋厚度6 mm,焊腳尺寸8 mm,結果顯示在焊趾處測的垂直焊縫方向殘余應力為156 MPa。Cui等[13]采用超聲法對足尺單U肋試件(Q345qD)進行殘余應力測試,其中頂板厚度16 mm,U肋厚度8 mm,焊腳尺寸10 mm,超聲探頭尺寸為33 mm×15 mm,在焊趾處測的垂直焊縫方向殘余應力約為150 MPa。

以上研究表明受待測試件尺寸與測試方法的影響所測焊趾處垂直焊縫方向的焊接殘余應力峰值存在較大差異。

1.2 沿焊縫方向殘余應力分布

鋼橋面頂板下表面焊趾處沿焊縫方向焊接殘余應力峰值與材料屈服強度相當,隨著距離的增加殘余應力逐漸減小,在相鄰兩條焊縫中間區域則呈現由于殘余拉應力引起的壓應力,如圖3所示。

圖3 平行焊縫方向殘余應力分布

限于條分法的局限性,早期對鋼橋面頂板與U肋焊縫沿焊縫方向殘余應力測試結果顯示僅為材料屈服強度的0.2～0.35倍。顧穎[14]對尺寸為2 m×4 m包含3個U肋的試件進行了盲孔法殘余應力測試,其中U肋尺寸為280 mm×300 mm,焊腳尺寸為13.2 mm。分析結果顯示沿焊縫方向焊趾處殘余應力平均約為314.5 MPa,接近材料的屈服強度,相鄰U肋間由于焊接殘余拉應力引起的壓應力實測值約為-100 MPa。周思廷[11]對陶瓷襯墊全熔透焊的單U肋試件通過盲孔法進行了殘余應力測試,測試結果顯示縱橫向殘余應力由焊趾處的殘余拉應力峰值隨著與焊縫距離的增加逐漸降低至壓應力,其中焊趾處殘余拉應力峰值為387 MPa,壓應力約為-100 MPa。鐘雯等[12]對包含兩個U肋的試件進行殘余應力測試,測試結果顯示焊趾處縱向殘余應力約為350 MPa,遠離焊趾區域約為-50 MPa。

上述研究測試結果表明,在焊趾處存在較大的殘余拉應力接近材料的屈服極限,然而在遠離焊趾區域存在50～100 MPa壓應力。

2 殘余應力對裂紋擴展的影響

2.1 殘余應力在裂紋擴展過程中的重分布

裂紋尖端的焊接殘余應力在疲勞裂紋擴展過程中是一個動態變化的過程。Song等[15]通過有限元模擬緊湊拉伸件裂紋擴展時發現在裂紋擴展過程中裂紋尖端的殘余應力會發生重分布現象。Terada[16]通過試驗驗證了平板對接接頭裂紋擴展過程中殘余應力的重分布現象,并給出了平板穿透型裂紋殘余應力重分布公式。Liljedahl等[17]基于線彈性斷裂力學采用有限元方法對經過試驗驗證的CT試樣進行裂紋擴展過程的計算分析,計算結果顯示殘余應力隨著裂紋長度的增加先逐漸增加,當裂紋達到一定長度后殘余應力逐漸降低。Hensel等[18]通過試驗詳細研究了對接焊接接頭殘余應力與裂紋擴展之間相互作用的關系,分析結果顯示在裂紋擴展過程中外荷載與殘余應力疊加導致裂尖應力超過材料屈服強度,會導致局部發生應力松弛。

2.2 焊接殘余應力對焊接接頭疲勞性能的影響

基于斷裂力學理論的Paris公式是最初的疲勞裂紋擴展模型,經過多年的發展已演變出多種形式。根據Paris公式,在裂紋擴展穩定階段,疲勞裂紋擴展速率與應力強度因子幅在對數關系上呈現線性關系。因此,在殘余應力下應力強度因子的變化是研究焊接殘余應力對疲勞裂紋擴展的關鍵。

焊接接頭殘余應力對疲勞性能影響的研究可追溯至1939年前后,早期研究表明,殘余應力對焊接接頭疲勞強度的影響與消除殘余應力相比可以忽略不計[19]。隨后,詳細的研究[20]表明,與原試樣相比,應力消除試樣的抗疲勞性能可提高150%。

相關研究結果驗證了殘余應力對焊接接頭疲勞性能有較大的影響[21],但它們的影響尚未被很好地理解,仍然是一個存在爭議的問題。因此,如何降低焊接殘余應力與其對焊接接頭疲勞強度的影響是目前研究的重要內容。

3 基于殘余應力消除的鋼橋面抗疲勞性能提升方法

通過上述研究表明,鋼橋面疲勞開裂不僅僅取決于焊接接頭的構造形式,裂紋的萌生與擴展也受到焊接殘余應力的重要影響。因此,如何降低焊接接頭的殘余應力,是提高鋼橋面疲勞性能的重要研究方向。

3.1 機械錘擊法

機械錘擊法是一種通過機械手段撞擊焊縫焊趾處產生塑性變形從而引入殘余壓應力,減小裂紋萌生的方法,通常包含錘擊,噴丸,噴砂等。針對機械錘擊法國內外學者進行了諸多研究。Berg等[22]研究結果顯示,經過錘擊的試樣表面存在一個壓縮殘余應力場。同時,Tai等[23]的試驗結果表明經過錘擊的試驗材料其裂紋萌生與裂紋擴展的加載次數得到較大的提升。Yamada等[24]在對裂紋進行錘擊后發現形成的壓縮殘余應力場不僅會閉合已經形成的裂紋,還能提高其疲勞性能。然而由于鋼橋面構造復雜,焊縫數量較多,在目前鋼橋面制造加工中很難對構造復雜處焊縫一一進行錘擊處理。該技術不僅對操作者的技術與經驗要求較高,而且對錘頭的形狀參數較為敏感。

3.2 焊后熱處理法

早期為了解決薄壁板件焊接導致的結構變形,Michaleris等[25]首次報道了利用熱效應來緩解焊接前和焊接過程中的焊接變形和殘余應力。焊后熱處理工藝中的退火工藝經常用于壓力容器和管道等的制造中,很少用于鋼橋等大型土木工程結構,一般將標準單元整體放入大型退火爐中進行退火處理[26]。目前焊后熱處理方法按照加熱部位分為局部加熱法與整體加熱法。

文獻[27]研究表明,經過焊后退火處理的焊接接頭殘余應力明顯降低。Lin等[28]提出了采用在焊槍兩側增加兩個移動加熱源對焊縫附近區域進行加熱,通過在焊縫融合區和相鄰母材冷卻過程中產生均勻溫度場來減少殘余應力的形成,試驗結果表明平行焊縫方向峰值殘余應力降低了約21%。Wang等[29]同樣采用平行加熱技術在焊縫附近區域對焊縫進行焊后熱處理,結果顯示平行焊縫方向焊接殘余應力降低了約37%。上述研究表明雖然移動的局部加熱裝置可以有效控制焊接翹曲,但試驗結果顯示消除焊接殘余應力的效果并不顯著。

2014年,森猛等[30]初步采用線狀加熱裝置在鋼橋面頂面焊縫區域加熱至625 ℃并保溫3 h,試驗結果顯示焊縫區域平行焊縫方向殘余應力大幅降低。廣畑幹人等[31]采用片狀陶瓷加熱裝置對單U肋試件加熱至600 ℃并保溫1 h,同樣驗證了熱處理可以大幅降低頂板與U肋焊縫處的焊接殘余應力。為了研究經過加熱和冷卻過程對橋梁用鋼力學性能的影響,進一步開展了一系列試驗研究,結果顯示材料的彈性模量、屈服強度與極限抗拉強度幾乎沒有發生變化[32]。Hirohata等[33]采用高頻感應加熱裝置對焊接接頭焊趾處局部加熱,殘余應力降低了88%,疲勞試驗結果顯示相同應力幅作用下,疲勞壽命可提高2～5倍。

由上述研究結果可知,焊后熱處理法作為消除焊接殘余應力效果較為明顯、技術較為成熟、較易實現工業化的技術手段,其對鋼橋面關鍵焊縫的消除效果與疲勞性能的影響缺少相關的試驗數據。

4 新型退火鋼橋面的探索

上述文獻研究結果表明鋼橋面疲勞裂紋萌生不僅與焊縫處幾何形狀有關,還與焊接殘余應力關系密切。由于焊接殘余應力的存在,在殘余應力與外荷載應力作用下沒有超出材料屈服強度時,將會加速疲勞裂紋的萌生與擴展。然而現有文獻顯示鋼橋面采用局部熱處理法不僅無法實現大規模量產而且工藝復雜。本文借鑒壓力容器制造方法,在鋼橋面制造過程中引入焊后退火處理以消除焊接殘余應力提升鋼橋面抗疲勞性能。為了進一步研究焊后熱處理工藝對鋼橋面疲勞性能的影響,一共制作了16個局部足尺單U肋試件,其中6個試件(3個進行退火處理,3個未進行退火處理)采用盲孔法對頂板與U肋焊縫進行殘余應力測試,以驗證退火處理對頂板與U肋焊縫殘余應力的消除效果;10個試件(6個進行退火處理,4個未進行退火處理)進行疲勞試驗,以驗證退火處理對鋼橋面疲勞性能的影響。

4.1 試件制備

根據已有的鋼橋面疲勞試驗研究成果,頂板與U肋焊縫疲勞開裂后果最為嚴重[1]。因此,本次試驗選取頂板與U肋連接焊縫為研究對象,對比其在熱處理工藝前后疲勞強度的變化,上述16個試件的模型尺寸與構造細節如圖4所示。試驗模型外輪廓尺寸為600 mm×1 000 mm×296 mm(長×寬×高),制作材料采用Q345qD。其中,進行疲勞試驗的未退火處理試件編號為AW1～AW4,退火處理試件編號為PT1～PT6。

圖4 試驗模型與局部構造

采用臺車式電天然氣爐對標準鋼橋面單元進行退火處理,該爐長37 m,寬8.5 m,高9 m,可同時容納800 t以上的正交異性鋼橋面板單元,并采用熱電偶自動記錄爐內溫度,如圖5所示。表1給出了現行規范中板件通用焊后熱處理程序[34],在板件溫度高于400 ℃時,升溫速度不應超過(5 500/δ)℃/h或者220 ℃/h,降溫速速不應超過(7 000/δ)℃/h或者280 ℃/h,相應的保溫時間至少為δ/25 h或者15 min,其中δ為板件厚度。為了驗證在熱處理過程中,板件溫度處于可控安全區間內,在待處理試件上布置了熱電偶得到了在整個熱處理過程中溫度-時間關系曲線,如圖6所示。

表1 焊后熱處理工藝

圖5 鋼橋面板單元退火處理

圖6 實測鋼橋面溫度與時間關系曲線

4.2 加載與測試方案

4.2.1 疲勞加載與測試方案

為了研究鋼橋面頂板與U肋連接焊縫在車輛荷載作用下的疲勞性能,試驗模型采用橡膠墊支撐于剛性試驗臺座上,剛性試驗臺座與地腳螺栓相連,模型加載與約束如圖7所示。

圖7 模型加載

在圖示加載工況作用下,作動器所施加荷載通過加載橡膠墊傳遞至試件頂板頂面,模擬車輛荷載作用效應,其后荷載通過邊界橡膠墊傳遞至剛性臺座,其中作動器與試件之間設置200 mm×180 mm×45 mm的橡膠支座。為了使左側頂板與U肋焊縫出現較大垂直焊縫方向的應力幅并出現疲勞裂紋,加載位置中心點位于試件中心向左偏移45 mm處。

為了準確捕捉試件在荷載作用下的應力響應、識別應力峰值,根據試驗目的在關注區域頂板與U肋焊縫頂板焊趾處粘貼應變片,應變片布置如圖8所示。應變片測點分別距離頂板焊趾8 mm(0.5t)與24 mm(1.5t),其中t為頂板厚度。距離焊趾1.5t處的應變片作為該焊縫的名義應力測點,熱點應力則根據國際焊協(IIW)所推薦的“0515準則”進行計算。加載設備采用MTS進行正弦波常幅循環加載,同時根據試驗過程中各試件的應力響應確定加載荷載幅見表2,其中ΔF=Fmax-Fmin。

表2 各試件荷載幅值

4.2.2 殘余應力測試方案

由于在焊接過程中,焊縫附近受到不均勻加熱與冷卻的影響相對于其他地方更大,所以頂板焊趾處熱影響區為殘余應力測試的關注區域?？紤]到機械打磨會對表面殘余應力分布產生不利影響,因此在焊縫附近區域采用化學拋光方法進行打磨以去除表面銹蝕,拋光出長300 mm、寬50 mm的光滑面后,在距離焊縫0～20 mm之間粘貼應變片,測點布置如圖9所示。根據《金屬材料 殘余應力測定鉆孔應變法》(GB/T 31310—2014)[35]與《殘余應力測試方法 鉆孔應變釋放法》(CB/T 3395—2013)[36]規定,采用直徑為2 mm的麻花鉆頭,鉆孔深度為1.2D(即2.4 mm)進行鉆孔。

圖9 盲孔法測點布置

4.3 試驗結果與討論

4.3.1 殘余應力對比分析

焊接殘余應力的影響因素較多且隨機性較大,將距離焊趾相同位置的殘余應力實測值進行平均處理,退火處理與未退火處理試件的殘余應力測試結果如圖10、11所示。圖中數據點代表距離焊趾相同位置處測點數據的平均值,淺色條帶代表該處所測數據的最大值與最小值。

圖11 實測橫向殘余應力分布

盲孔法的測試結果顯示,未經退火處理試件的縱橫向殘余應力在焊縫處達到峰值,達到驚人的480.1 MPa,這可能是由于盲孔法在標定A、B常數時所引入的誤差。一般在進行標定試驗時,其標定應力不應超過材料屈服強度,在殘余應力接近材料屈服強度時,鉆孔附近塑性變形明顯將引入不可忽視的誤差[14]。同時,傳統標定試驗中板件材料為母材金屬,焊縫金屬與母材金屬存在較大差異,因此焊縫的殘余應力不繪制在圖中。頂板與U肋焊縫疲勞裂紋常萌生于焊趾處,未退火試件在頂板下表面距離焊趾2 mm處的縱橫向平均殘余應力分別為283.0 MPa與60.9 MPa,隨著測點逐漸遠離焊趾,在頂板下表面距離焊趾20 mm處的縱橫向平均殘余應力逐漸降低至12.5 MPa與9.6 MPa。橫向殘余應力峰值明顯低于縱向殘余應力,這是由于焊接時約束和剛度在兩個方向上的顯著各向異性導致的[37]。相比之下,經過退火處理試件的焊接殘余應力分布發生了明顯的變化。退火處理后試件縱橫向焊接殘余應力平均值從焊趾附近的44.4 MPa與14.4 MPa分別降至距離焊趾20 mm處的7.2 MPa與8.2 MPa。

試驗結果表明,退火處理后試件的縱橫向焊接殘余應力明顯減小,其中橫向焊接殘余應力峰值平均值比原始狀態降低了76.4%,然而縱向殘余應力降低更為明顯(即84.3%)。原始狀態下試件焊接殘余應力在熱影響區分布不均勻,而經過退火處理后的試件在焊趾附近殘余應力分布均勻且趨近于零。同時,隨著測點距焊趾距離的增加,原始狀態下的試件與經過退火處理后的試件焊接殘余應力逐漸趨于一致,表明殘余應力隨距離的增加而減小。

4.3.2 疲勞性能對比分析

試件AW1在循環荷載作用下,其荷載響應在加載墊兩側呈現雙峰分布特征,其峰值處的應變片為關鍵測點,如圖12所示。根據試件破壞結果可知,疲勞裂紋萌生于頂板與U肋焊縫頂板焊趾應力幅值最大處,隨著加載次數的增加裂紋沿著頂板厚度方向與焊縫方向逐漸擴展,這與文獻[38-39]研究結果一致,典型疲勞破壞如圖13所示。經過退火處理與未經過退火處理試件的應力-壽命結果統計如表3所示。為了便于各個試件在不同應力幅作用下疲勞壽命的對比,式σm·N=C(其中,σ為應力幅,N為疲勞壽命,C為材料常數)中m取3,將各個試件的實測應力幅換算為200萬次所對應的等效應力幅,該等效應力幅記為等效疲勞強度。

表3 各試件疲勞試驗結果匯總

圖12 各測點荷載作用下應力幅

圖13 典型疲勞開裂模式

試驗結果顯示,采用200萬次等效疲勞強度進行定量比較(以下簡稱為疲勞強度):在名義應力法下,經過退火處理試件的平均疲勞強度(117 MPa)比未經退火處理試件(95 MPa)高23%;在熱點應力下,經過退火處理試件的平均疲勞強度(148 MPa)比未經退火處理試件(111 MPa)高33%;換算為設計疲勞強度70 MPa時,其疲勞壽命分別提高86%與135%。在名義應力和熱點應力中,經過退火處理試件的平均等效疲勞強度均明顯高于原始試件。

5 結 論

本文首先系統性地回顧和探討鋼橋面焊縫的焊接殘余應力分布模式,就殘余應力對疲勞裂紋發展的影響開展調研和分析。隨后,在歸納和總結國內外主流降低焊接殘余應力方法的基礎上,提出對鋼橋面采用焊后退火工藝處理。通過對退火處理與未退火處理的16件足尺單U肋試件開展殘余應力測試和疲勞試驗,初步研究了退火處理對鋼橋面頂板與U肋連接焊縫殘余應力分布與其對疲勞性能的影響?；谏鲜鲅芯?得到如下主要結論:

1)鋼橋面頂板與U肋連接焊縫在沿焊縫方向與垂直焊縫方向的焊接殘余應力分布模式類似,均在焊趾處出現殘余拉應力峰值,且隨著距離的增加而快速減小;兩個方向上的焊接殘余應力峰值存在較大差異,其中沿焊縫方向殘余應力峰值接近材料屈服強度,垂直焊縫方向殘余應力峰值約為材料屈服強度的0.2～0.5倍。

2)焊接殘余拉應力引起應力強度因子的增加,進而加速裂紋擴展。但同時,隨裂紋的逐漸擴展,殘余應力發生重分布,應力強度因子相應減小,導致裂紋擴展速率降低。

3)焊接殘余應力是導致構件疲勞性能退化的重要因素,可通過機械錘擊法與焊后熱處理法處理。其中,焊后退火處理可以工業化調控鋼橋面焊接殘余應力,且材料的彈性模量、屈服強度與極限抗拉強度均無明顯改變。

4)基于試件模型的殘余應力實測表明,焊后退火處理可大幅降低鋼橋面頂板與U肋連接焊縫的焊接殘余應力:垂直焊縫方向的平均焊接殘余應力降低76.4%,沿焊縫方向的平均焊接殘余應力降低84.3%。

5)疲勞試驗結果顯示,退火處理后的鋼橋面頂板與U肋連接焊縫疲勞強度大幅提高,以200萬次等效疲勞強度計,名義應力和熱點應力下退火處理試件的平均疲勞強度分別提高23%和33%。