杨德慧 王文广 沙建奇
（烟建集团有限公司，山东，烟台，264000）
【摘 要】随着我国工业技术的不断发展与革新，钢结构施工技术也取得了质的提升，发挥着不可估量的价值。焊接技术作为钢结构的主要连接手段，占据着举足轻重的地位，被广泛的应用于各类工程施工中。近年来，随着对焊接技术的研究不断深入，并依据钢结构的脆性断裂事故进行分析，发现焊接残余应力对钢筋结构造成了严重的危害。鉴于此，笔者认为对钢结构厚板焊接残余应力的研究有着十分重要的价值，并进行深入的探讨与分析，以期能为钢结构的设计、施工提供重要的理论支持。
【关键词】钢结构；焊接；残余应力；分析
焊接是钢结构的主要的连接手段，但焊接同样也是一种容易产生残余应力的工艺，是导致焊接裂缝产生和钢结构性能降低的重要因素，不仅对焊接结构的制造进度造成了严重影响，同时威胁着钢结构的使用性能和安全性。因此，正确的对钢结构焊接残余应力进行评估，为进一步研究焊接残余应力的变化规律提供了重要的参考依据。
一、焊接残余应力概述
残余应力又称为内应力、固有应力和初始应力，其主要是存在于工件内部的相互平衡的力[1]。严格而言，所有工程材料在加工或装配等工艺过程中，都会产生不同程度的残余应力，并依据残余应力影响的范围可将其划分为宏观和微观应力。宏观应力主要指在材料较大范围内存在并保持平衡，如该残余应力的平衡遭到破坏，将会导致构建的尺寸出现变化；微观应力主要是指存在于晶粒尺度内并保持相互平衡，如该残余应力相互平衡遭受破坏，同样也会导致构建尺寸发生变化。
一般残余应力的产生主要是由于三类原因而产生，即不均匀塑性变化、热作用、化学变化。焊接残余应力主要是由于热作用而产生，由于在焊接的过程中，焊接区域的材料急剧加热而膨胀，但同时受到周围温度较低区域的影响，进而产生了热应力，但受热区域温度后屈服极限下降，严重超过了屈服极限，待冷却后出现了拉伸残余应力。
二、钢结构焊接残余应力实验研究
残余应力的产生有诸多复杂的原因，目前无法通过理论来对其进行精确的分析，必须要进行相应的试验来进行研究。传统的残余应力的测量方法可以分为两大类，一类是机械法，如取条法、盲孔法等；另一类是物理法，如超声法、磁性法等。一般机械法的测量残余应力需释放应力，会对工件造成一定程度的破坏，而相反物理法都属于无损检测法，并不会对工件造成任何损伤[2]。
本文将采取机械法中的盲孔法来对残余应力进行测试和计算，其测试原理是通过假设一各向同性材料的构件某一局部残余应力处于相对均匀的二维状态内，同时该构件的表面材料残余应力是双向的，如下图1所示分别分?1和?2。并在该构件的局部开一小孔，以此来通过该小孔来作为中心布置的应变分布来计算出开孔后的释放应变ε1、ε2、ε3并依据弹性力学平面应力理论来得出该参与应力和方向角的基本公式：
采用盲孔法时，由于刀具切削挤压孔边，难以避免会导致孔洞周围的金属产生附加应变。除此之外，附加应变不仅与材料的硬度有关，与孔边到应变片端部间的距离也有着很大关系，所以对构件钻孔后试件的真实应变应该为所测应变和附加应变两者的差值。
受篇幅限制，本文对盲孔法的具体实验测试流程不进行详细介绍，只侧重于上述对盲孔法实验原理的和计算要求进行重点阐述。需注意的是，进行盲孔法测量残余应力实验时，必须要求被测构件表面的处理符合相应的要求，在钻孔时要确保钻杆和测量工件的表面处置，一般对于钻孔中心偏差需要控制在±0.030mm的范围之内。还需确保钻孔速度要慢，过快会导致应变片的温度出现漂移现象，导致钻孔周围切削应变增大，进而致使测量的不稳定。如为了能够有效的消除切削应变所产生的影响，可选择先采用小钻头进行钻孔，然后再采用铣刀铣孔的方式来进行。
同时在测定钢结构构件中的残余应力时，需要依据现场的实际作业情况来选择合理的测定方法，以此来有效的保证整个实验的质量。一般在实验时需要考虑到如下几方面的因素：①实验测试的破坏性或非破坏性。②钢结构性能变化的影响。③现场测试的适用性和经济性。④测试数据的准确性。只有通过对以上几种因素予以综合考量，才能更好的满足结果分析的精度要求。
三、钢结构厚板焊接有限元分析基本方程及理论
在进行焊接的过程中，焊接工件因热的输入而经历加热和熔化并冷却的过程称为焊接热过程。焊接热的过程不仅对焊接后的残余应力和变形有着直接的影响，同样也是研究焊接残余应力和变形的重要分析基础。由于焊接的过程大多主要是进行局部加热，因而形成了瞬态的温度场和应力应变场。温度场不仅直接通过热应变，同时还间接的决定着焊接残余应力，直接对焊接的整体质量产生的影响，对焊接应力分析、焊接顺序优化等都有重要的研究意义[3]。
由于热力学第一定律假定热能和机械能相互平衡，同时与温度场和热应力场耦合[4]。热力学第一定律指出，单位时间的储能和带走的热与单位时间释放和粘塑性相等，正因如此，粘塑性连续介质的热力学基本方程的张量形式可以由以下公式表示：
上述公式中，第一项为焊接熔融所需热量，后三项主要是指迪卡尔坐标中X、Y、Z不同的三个方向所输入的焊接热量，最后一项主要是指焊接内热源所产生的热。
需注意的是焊接升温所需要的热量和外界传入焊件内热源所产生的热量两者相互平衡，如求解域的温度场分布需要符合边界条件。一般边界条件可将其划分为三类，如下公式所示。
3.2 ANSYS软件钢结构厚板焊接残余应力的有限元分析
本文选用了大型的有限元分析软件ANSYS来建立平截面模型，模拟出残余应力的大小及分布，并通过上述有限元分析公式来计算出模拟结果，并验证残余应力大小及分布数值模拟的正确性。
有限元分析是一个非常复杂的过程，其要通过建模、验算、分析等一系列流程。使用钢结构厚板焊接残余应力使用ANSYS软件进行有限元分析，一般其分析过程分为三个步骤，即第一步是创建有限元模型，包括创建或读入集合模型、定义材料属性和划分单元；第二步是施加载荷进行求解，包括施加载荷及边界条件、求解，第三部是分析结果，检验分析是否正确。
四、消除焊件残余应力的有效方法
随着对焊接残余应力的分析逐步加深，消除残余应力的有效方法也得到了深入的研究，目前性质有效的方法主要有低温拉伸法、爆炸法和振动实效法这三种。
低温拉伸法其原理是通过在焊缝两侧加热，并在焊缝喷水冷却处理，促使内部压应力和外部受拉应力相互挤压，降低残余应力，同时残余应力下降的幅度是取决于焊缝和加热区平面的温差。该方法不仅有着很高的安全性，能很好的使用于大型钢结构对局部焊缝残余应力的消除处理，但低温拉伸法的所能消除的残余应力只占到了总数的30%，消除效果有待提升。
爆炸法主通过在焊缝附近利用炸药而产生的瞬间高压冲击波来有效的消除残余应力，此方法具有一定危险性，但有很好的消除残余应力效果，能消除占到残余应力总数的70%，一般主要适用于局部处理，同时其还具有着工作效率高和成本低等特点。
振动实效法时通过对焊接施加循环载荷，来释放焊接内部残余应力，促使焊接尺寸趋于稳定。在常规情况下，对焊件实现消除残余应力处理，焊件在固有频率予以几十分钟的振动处理，并通过振动的形式来达到释放应力的有效目的。该方法具有着成本低、用法简便和适用性强等诸多特点。单纯的从材料应力应变的特性角度出发，该方法消除残余应力的前提条件是残余应力和动应力之和必须要大于屈服极限，进而导致出现残余应力的重分布，提高尺寸的进度，并相应的减少初始缺陷[5]。该方法目前理论尚未完善，还有待进一步的深入探讨。
结束语
综上所述，残余应力的产生有诸多复杂的原因，目前无法通过理论来对其进行精确的分析，必须要进行相应的试验来进行研究。本文通过对钢结构厚板残余应力的试验研究和有限元分析的阐述，简述了基本分析原理，提供出了基础性的试验与理论参考。但笔者经过分析发现，本文存在诸多不足，并没有进行实践的模拟分析，仅仅局限与理论依据的表述，研究深度有所缺失，还望相关人士指出共勉，共同深化对钢结构厚板焊接残余应力有效分析，为相关工作提供重要的理论依据。
参考文献：
[1]基于结构完整性评定方法和有限元分析并焊接残余应力的焊接缺陷评估[J].中国有色金属学报（英文版）,2013,23(5):1452- 1458.
[2]王前华.钢结构焊接残余应力的影响因素与控制[J].科技与生活,2012,1(1):188- 188.
[3]商广泰,蒋凤昌.钢结构焊接残余应力的ANSYS分析[J].广东建材,2011,12(2):54- 55.
[4]范永思,高雅茹,李守巨等.水工钢结构焊接残余应力有限元模拟分析[J].装备制造技术,2013,5(7):19-20,25.
[5]江克斌,肖叶桃,郭永涛等.T型焊接试件焊接残余应力分布的测定[J].焊接学报,2010,29(1):53-56.
作者简介：
杨德慧（1963-）男，山东省烟台市人，高级工程师，本科，从事钢结构工程施工。
论文作者:杨德慧,王文广,沙建奇
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年11月供稿
论文发表时间:2016/1/28
标签：应力论文; 残余论文; 钢结构论文; 应变论文; 厚板论文; 有限元论文; 钻孔论文; 《工程建设标准化》2015年11月供稿论文;