残余应力的产生

残余应力的产生、影响及防控措施

崔曙东

摘要:对钢结构而言,残余应力的存在,是影响结构脆断、疲劳破损和结构稳定性降低的重要因素。本文试图对残余应力的产生、对结构的影响和如何有效降低残余应力及影响作简单分析。

关键词:残余应力脆断疲劳破损刚度稳定性

1引言

钢结构自问世以来,由于其具备的强度高、自重轻、抗震性能好、、施工速度快、地基基础费用省、结构占用面积少、工业化程度高等一系列优点,钢结构在建筑领域被广泛应用。但是,也不能否认,钢结构还存在着许多缺陷和隐患,例如稳定性从一开始就一直是钢结构中无法回避的问题,还有随着钢结构建筑的深入发展,脆断和疲劳破损等问题也越来越突出。而上述的诸多问题,无一不与构件内部的残余应力存在密切联系,本文试图从实际出发,探讨残余应力的产生过程、对结构或构件的影响以及如何有效降低残余应力及影响。

2残余应力的成因

残余应力是构件还未承受荷载而早已存在构件截面上的初应力,产生的原因很多,其中,焊接残余应力是很重要的一种,另外在钢材的加工过程中也会产生参与应力。

2.1焊接残余应力

焊接过程是一个对焊件局部加热继而逐渐冷却的过程,不均匀的温度场将使焊件各部分产生不均匀的变形,从而产生各种焊接残余应力。焊接构件由焊接而产生的内应力称之为焊接应力,按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中某一瞬时的焊接应力称之为焊接瞬时应力,它随着时间而变化。焊后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力。对于钢结构而言,焊接残余应力和变形是影响结构断裂强度、疲劳强度和结构稳定性的重要因素。焊接残余应力大大降低了焊接部位材料的有效比例极限,是结构发生脆断的重要原因之一。焊接结构中残余拉应力还会降低结构抗疲劳和耐腐蚀的能力;残余压应力会降低受压构件的刚度,从而使稳定承载力。焊接残余应力是焊件产生变形和开裂等工艺缺陷的重要原因,由于其影响因素众多,计算残余应力又极为复杂,因此给残余应力的研究带来了许多困难,对焊接结构的残余应力研究就显得尤为重要。[1]

2.1.1沿焊缝轴线方向的纵向焊接残余应力

施焊时,焊缝附近温度最高,在焊缝区以外,温度则急剧下降。焊缝区受热而纵向膨胀,但这种膨胀因变形的平截面规律(变形前的平截面,变形后仍保持平面)而受到其相邻较低温度区的约束,使焊缝区产生纵向压应力。由于钢材在高温时呈塑性状态(称为热塑状态),因而高温区这种压应力使焊缝区的钢材产生塑性压缩变形,这种塑性变形当温度下降、压应力消失时是不能恢复的。在焊后的冷却过程中,如假设焊缝区金属能自由变形,冷却后钢材因已有塑性变形而不能恢复其原来长度。事实上由于焊缝区与其邻近钢材是连续的,焊缝区因冷却产生的收缩变形又因平截面变形的平截面规律受到邻近低温区的钢材的约束,使焊缝区产生拉应力。这个拉应力当焊件完全冷却后仍残留在焊缝区的钢材内,故名焊接残余应力,对于低合金钢材焊接后的残余应力常可达到其屈服点。又因截面上残余应力必须自相平衡,焊缝区以外的钢材截面内必然有残余压应力。

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