高强钢残余应力模式及影响因素

罗建旭

(西南交通大学，四川成都 610031)

钢构件在焊接过程中，焊件上产生局部高温的不均匀温度场导致焊件不均匀的膨胀和收缩。高温区的钢材产生较大的膨胀和伸长，但受到临近低温区钢材的约束而产生热塑变形，进而产生较高的温度应力，此温度应力在焊接过程中随时间和温度的变化而不断变化。冷却后，将会形成残存于焊件内部的一种自相平衡的内应力，此应力称为焊接残余应力。

残余应力会降低构件的刚度，还可能降低受压构件的极限承载力，并且在动载荷作用下会降低构件的耐久性。因此，研究残余应力分布模型对于钢结构设计是必要的，特别是对高强度钢材。虽然屈服强度不大于400 MPa的焊接普通钢构件的残余应力进行了广泛的研究，但对于高强度钢材残余应力的研究还很少。高强度钢材的应力-应变曲线与普通钢材的应力-应变曲线不同，普通强度钢材的应力-应变曲线有明显的屈服平台和强化阶段，随着钢材强度的提高，屈服平台长度逐渐缩短，且抗拉强度对应的应变值逐渐减小，当屈服强度继续提高，其应力-应变曲线已没有明显的屈服平台，抗拉强度对应的应变值继续减小。由于使用高强钢有利于减小构件尺寸、节省建筑空间，因此其多用于高层建筑，大跨度建筑和桥梁工程中。为了安全有效的使用高强钢，准确评估残余应力对高强度钢构力学件性能的影响非常重要。

1 残余应力的分布模式

可参照我国GB 50017-2003《钢结构设计规范》中采用的焊接残余应力分布模型，该模型是在美国和欧洲钢结构设计规范相关残余应力分布模式的基础上提出的，结合我国相关截面的试验研究，通过一定简化得到的残余应力分布模式呈二次曲线分布(图1)。该模型是基于普通强度钢材焊接残余应力试验提出的，适用于普通强度钢材，对于高强钢焊接残余应力的分布模型，国内外已有部分学者对高强钢构件截面残余应力进行了试验研究，研究结果表明：高强钢焊接残余应力分布模型与普通钢材没有明显区别。

近年来，国内外已有部分学者对高强钢构件截面的残余应力进行了研究。清华大学班慧勇[2-3]等学者对8个460 MPa钢材焊接工字型截面试件和6个460 MPa焊接箱型

(a) 等边箱形截面

(b) 工字形截面

截面试件的截面残余应力采用分割法进行测量。结果表明：试件截面残余应力分布模式相比普通强度钢材构件截面残余应力分布模式没有明显的区别，但残余应力数值随板件宽厚比和板件厚度的增大明显减小，焊缝附近的最大残余拉应力小于钢材的屈服强度，提出的残余应力分布模式(图2)。同济大学王彦博[5-6]等对3个460 MPa钢材焊接工字型截面试件和3个460 MPa焊接箱型截面试件的截面残余应力同时采用盲孔法和分割法进行测量，提出了简化的分布模型(图3)，其中α、α1、α2等分別表示残余应力与钢材屈服强度的比值，β、β1、β2等分别表示残余压应力与钢材屈服强度的比值。东南大学薛加烨[4]等人对6个550 MPa和3个690 MPa高强钢焊接箱型试件，8个550 MPa和4个690 MPa高强钢焊接工字型试件的截面残余应力采用分割法进行了测量。结果表明：高强钢焊接箱型截面与H型截面构件残余应力分布模式与普通钢材构件残余应力分布模式没有明显区别，可采用相同的分布模型，但各分布区的数值不尽相同，研究提出的残余应力分布模型见图4，与清华大学石永久团队提出的残余应力分布模型类似。安徽工业大学曹现雷等人[7]对800 MPa高强钢焊接箱截面残余应力进行试验研究，采用分割法测得残余应力的值，并且在分析中考虑宽厚比对残余应力的影响，提出的残余应力分布模型可见图5。

(a) 等边箱形截面

(b) 工字形截面

(a) 等边箱形截面

(b) 工字形截面

(a) 等边箱形截面

(b) 工字形截面

图5 安徽工业大学团队

2 残余应力的取值研究

关于焊接工字型截面翼缘焰切边缘处最大残余应力值σfte，对于普通强度钢构件中钢规取值为0.4fy～0.75fy。而对于高强钢构件，已有的研究成果表明：绝大多数试验值明显小于0.3fy，班慧勇等根据460 MPa试件的实测数据提出：σfte取值为35 MPa，薛加烨等根据Q550和Q690试件的实测数据提出：σfte取为100 MPa。此外，班慧勇等结合国内外已有的实测结果提出：当fy<800时，σfte取为50 MPa，当fy>800时，σfte取为0.3fy。

关于焊接工字型和箱型截面最大残余应力值σfc和σwc，对于普通强度工字型截面构件，我国GB 50017-2003《钢结构设计规范》σfc和σwc取为-0.2fy，对于普通箱型截面，GB 50017-2003《钢结构设计规范》σfc和σwc取为-0.53fy。而对于高强钢构件，已有的研究成果表明：高强钢焊接截面残余压应力值σfc和σwc与普通强度钢材在绝对数值上的差别不大，与钢材取取暖强度的应力比小于普通强度钢材，且高强钢残余压应力值随板件宽厚比和板件厚度的增大明显减小。

3 影响残余应力的因素

影响残余应力的因素一般考虑三个方面，其中宽厚比和板件厚度的影响较大，焊缝类型对残余应力的影响较小。

(1)宽厚比对残余应力的影响：随着板件宽厚比的增大，相应的残余应力数值会明显降低，当宽厚比大到一定程度时，残余应力的数值很小但降低的趋势不再明显，而目前针对普通强度钢材的残余应力分布模式并没有考虑这一影响因素。试件焊缝附近最大残余应力以及翼缘焰切边的最大残余应力随板件宽厚比的变化规律，可以看出二者并没有直接的关系，这是由于残余拉应力主要由焊接或者焰切过程中局部区域产生的大量热输入造成的，截面其他位置通常不会产生残余拉应力，因而与截面尺寸没有直接关系。

(2)板件厚度的影响：在焊缝类型和板件宽厚比一定的情况下，板厚对残余压应力的大小有显著的影响：板厚越大、压应力越小；但与残余拉应力的数值大小并没有直接的关系。

(3)焊缝类型的影响：焊缝类型对残余压应力和拉应力的数值影响不大。

4 结论

对焊接H型截面和焊接箱型截面的残余应力分布模式及其影响因素进行了讨论，并得到以下结论：

(1)对于高强钢，国内残余应力的分布模式主要有两种，一种是由清华大学学者班慧勇等人提出的简化直线模型和同济大学李国强等提出的简化折线模型，且前者的精确度高于后者。

(2)高强钢焊接H型截面和焊接箱型截面的残余应力数值与普通钢材差别不大，但随着强度的提高，残余应力值与屈服强度的比值逐渐减小，这说明残余应力对高强钢的影响与普通钢材相比较弱。

(3)宽厚比和板件厚度对残余应力的影响相比焊缝尺寸的影响更大。