磁測(cè)法測(cè)試鋼結(jié)構(gòu)橋梁的焊接殘余應(yīng)力

劉小渝

(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074)

在大跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁中，構(gòu)件由于受力大采用厚鋼板的情形越來(lái)越多;此外構(gòu)件與構(gòu)件間的連接接頭以及重要節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)板也由于其傳力大，越來(lái)越趨于采用厚鋼板，因而橋梁結(jié)構(gòu)中的連接焊縫復(fù)雜，焊接完成后在焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力問(wèn)題越來(lái)越突出。結(jié)構(gòu)構(gòu)件在制造過(guò)程中留下的殘余應(yīng)力是產(chǎn)生變形和開裂等工藝缺陷的主要原因，將直接影響到焊接構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定承載力［1－2］。因此在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的構(gòu)件制作和現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中，殘余應(yīng)力的水平、性質(zhì)及分布情況是設(shè)計(jì)、制造和使用者共同關(guān)心的問(wèn)題，準(zhǔn)確測(cè)定出構(gòu)件的殘余應(yīng)力就顯得十分重要。及時(shí)對(duì)焊接完成后的焊縫進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，了解焊接殘余應(yīng)力的大小及分布規(guī)律，一方面可為后續(xù)的消除殘余應(yīng)力技術(shù)方案提供可靠的科學(xué)數(shù)據(jù);另一方面對(duì)消除殘余應(yīng)力工藝后的焊縫進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，可掌握焊縫應(yīng)力重分布情況，明確處理后的效果，對(duì)提高焊縫的疲勞強(qiáng)度、保證構(gòu)件的制作質(zhì)量、滿足結(jié)構(gòu)的受力安全有著重要的意義。

1 殘余應(yīng)力的主要測(cè)試方法

測(cè)量焊接殘余應(yīng)力的方法按其對(duì)被檢測(cè)對(duì)象是否產(chǎn)生損傷分為有損法和無(wú)損法兩大類，有損法又稱為機(jī)械法測(cè)殘余應(yīng)力，它是采用機(jī)械加工的手段，對(duì)被測(cè)構(gòu)件進(jìn)行部分解剖或完全剝離使被測(cè)構(gòu)件上的殘余應(yīng)力部分釋放或完全釋放，利用電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)出殘余應(yīng)力的方法。常用的有盲孔法。無(wú)損法按其使用檢測(cè)手段不同，分為x射線衍射法、超聲聲彈性法和磁測(cè)法等。其中超聲聲彈性法只能測(cè)試高值殘余應(yīng)力，目前還處于試驗(yàn)研究階段。

盲孔法、x射線衍射法、磁測(cè)法3種方法都有測(cè)試速度較快，都能用于不均勻的應(yīng)力場(chǎng)，但x射線衍射法由于儀器設(shè)備的復(fù)雜性只能用于實(shí)驗(yàn)室，盲孔法和磁測(cè)法則因儀器的輕便性可用于實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。盲孔法是采用在預(yù)測(cè)工件的表面中心鉆一小孔，使其產(chǎn)生局部應(yīng)力釋放，再由黏貼在孔周的應(yīng)變片感受出應(yīng)變的變化，該應(yīng)變稱為釋放應(yīng)變，通過(guò)彈性力學(xué)公式可得到主應(yīng)力值和方向角。

與盲孔法相比，磁測(cè)法在測(cè)量殘余應(yīng)力時(shí)，對(duì)被檢測(cè)對(duì)象不造成任何破損，此外它能測(cè)出同一點(diǎn)在不同狀態(tài)下的應(yīng)力情況。如超聲波沖擊等工藝處理前后的焊接殘余應(yīng)力的變化情況，而且它既能測(cè)平面光滑試樣的應(yīng)力又能測(cè)復(fù)雜形狀部位處(如各構(gòu)造部件相交部位或角焊縫處等)的焊縫殘余應(yīng)力。而盲孔法對(duì)于復(fù)雜部位的開孔則受到限制。

在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的焊縫中，測(cè)試殘余應(yīng)力的目的是為了了解焊接殘余應(yīng)力的大小，分布狀況，為后緒將開展的減小和消除殘余應(yīng)力工藝及技術(shù)方案提供依據(jù)，并且在減小和消除殘余應(yīng)力工藝處理后，再次進(jìn)行測(cè)試，以了解焊接殘余應(yīng)力重新分布的情況，評(píng)定工藝處理的效果，確認(rèn)是否滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

2 殘余應(yīng)力的磁測(cè)法

2.1 磁測(cè)法的測(cè)試原理

目前在我國(guó)應(yīng)用的磁測(cè)法是一種無(wú)損檢測(cè)的方法，它的基本原理是，基于鐵磁性材料(如低碳鋼等)的磁致伸縮效應(yīng)，即鐵磁性材料在磁化時(shí)會(huì)發(fā)生尺寸變化;反過(guò)來(lái)鐵磁體在應(yīng)力作用下其磁化狀態(tài)(導(dǎo)磁率和磁感應(yīng)強(qiáng)度等)也會(huì)發(fā)生變化，因此通過(guò)測(cè)量磁性變化可以測(cè)定鐵磁材料中的應(yīng)力。當(dāng)試樣內(nèi)存在殘余應(yīng)力時(shí)，也會(huì)使磁疇的移動(dòng)和轉(zhuǎn)向均受阻而使磁化率減小，這種現(xiàn)象稱為磁彈性現(xiàn)象［3－5］。鐵磁性材料其導(dǎo)磁率的相對(duì)變化量與應(yīng)力之間存在下列線性關(guān)系:

式中:Δμ為導(dǎo)磁率的變化量，Δμ =μ0－μσ(μσ為材料有應(yīng)力時(shí)減小的導(dǎo)磁率);λ0為初始磁致伸縮系數(shù);μ0為材料無(wú)應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)磁率;σ為應(yīng)力。

上式說(shuō)明導(dǎo)磁率的相對(duì)變化量與應(yīng)力成正比。通過(guò)傳感器和一定的電路將磁導(dǎo)率變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髁?或電壓)的變化，建立應(yīng)力和電流(電壓)的變化，建立應(yīng)力和電流(或電壓)的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)電量測(cè)量來(lái)確定內(nèi)應(yīng)力。應(yīng)力和電流(或電壓)之間不存在單值的函數(shù)關(guān)系。但是，平面應(yīng)力狀態(tài)，主應(yīng)力方向輸出的電流差和主應(yīng)力差有單值的線性關(guān)系，其表達(dá)式:

式中:σ1、σ2分別為最大和最小主應(yīng)力，MPa;I1、I2分別為最大和最小主應(yīng)力方向電流輸出值，mA;a為靈敏系統(tǒng)，mA/MPa。

可根據(jù)式(2)確定主應(yīng)力差值:

式中:θ為最大主應(yīng)力方向和x軸夾角;I0、I90為0°、90°二方向電流輸出值。

2.2 靈敏系數(shù)的確定

靈敏系數(shù)a可通過(guò)單向拉壓或4點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)確定［6－7］。為消除邊界對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，試樣的寬度需大于3倍探頭的尺寸，試件長(zhǎng)寬比取6較適宜，標(biāo)定試樣，選擇與被測(cè)材料同樣的化學(xué)成分和同一熱處理狀況的無(wú)內(nèi)應(yīng)力材料制成，通過(guò)標(biāo)定可得一系列數(shù)據(jù)。由式(1)可知這些數(shù)據(jù)滿足線性關(guān)系，所以利用最小二乘法計(jì)算出直線的斜率即靈敏系數(shù)a，計(jì)算公式如下:

式中:ΔIi為i點(diǎn)的電流差，mA;Δσi為i點(diǎn)的主應(yīng)力差，MPa。

2.3 主應(yīng)力的確定

已知各測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力差和主方向角，用切實(shí)力差法分離主應(yīng)力。任一點(diǎn)p的主應(yīng)力分量:

式中:(σx)0為原點(diǎn)已知應(yīng)力值。對(duì)自由邊界( σx)0=0。

計(jì)算時(shí)用增量代替微分，任一點(diǎn)p的主應(yīng)力:

2.4 磁測(cè)法的應(yīng)用情況及測(cè)前的準(zhǔn)備工作

磁測(cè)法目前已經(jīng)在三峽工程中的鋼閘門、北京西站鋼門樓主桁架，石油化工設(shè)備中的球罐等項(xiàng)目已經(jīng)得到應(yīng)用，但在大跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件焊接應(yīng)力的測(cè)試中還沒(méi)有應(yīng)用的報(bào)道資料。

采用磁測(cè)法測(cè)試前首先要進(jìn)行靈敏系數(shù)的標(biāo)定。可通過(guò)單向拉壓或4點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)確定。正式測(cè)試時(shí)首先將試件焊縫上的測(cè)點(diǎn)經(jīng)過(guò)打磨，然后將測(cè)試儀器的一個(gè)探頭直接接觸在測(cè)點(diǎn)上，另一個(gè)探頭則放在預(yù)先標(biāo)定好靈敏系數(shù)的鋼板上，探頭底部有兩個(gè)磁極，通過(guò)測(cè)定磁導(dǎo)率的變化來(lái)確定一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。

對(duì)于需進(jìn)行消除應(yīng)力工藝處理的焊縫，必須選用同一測(cè)點(diǎn)對(duì)焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試;以便于確定工藝處理后的效果是否滿足要求。

3 觀音巖大橋構(gòu)件焊縫應(yīng)力測(cè)試

3.1 試件概況

重慶江津觀音巖長(zhǎng)江大橋?yàn)榇罂鐝戒摻Y(jié)構(gòu)斜拉橋，其主橋跨徑組合為35.5 m+186 m+436 m+186 m+35.5 m，主橋長(zhǎng)879 m。斜拉索在鋼梁上的錨固采用了錨拉板結(jié)構(gòu)形式 (圖1)。錨拉板焊接于主梁上翼緣頂板，錨管嵌于錨拉板上部的中間，兩側(cè)用焊縫與錨拉板連接，中部除開孔安裝錨具外，尚需連接上下兩部分。為了補(bǔ)償開孔部分對(duì)錨拉板截面的削弱，以及增強(qiáng)其橫向的剛度，在板的兩側(cè)焊接了加強(qiáng)板，并和主梁上翼緣板連接，各板件厚度情況見表1。這種錨固方式有傳力途徑明確，構(gòu)造簡(jiǎn)單，工地施工作業(yè)方便等特點(diǎn)。鋼材采用Q370qE。

圖1 錨拉板與主梁連接試件Fig.1 Specimen for the anchor plate connected with main beam

表1 試件主要板件厚度/mmTab.1 Thickness of the main board parts of specimen/mm

在錨拉板與主梁的這種接頭形式中，錨拉板焊縫與主梁頂板急劇過(guò)渡，接頭在外力作用下力線扭曲很大，易造成極不均勻的應(yīng)力分布，焊縫處載荷應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力集中程度較大，當(dāng)焊縫根部或過(guò)渡處存在缺陷時(shí)，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的疲勞應(yīng)力影響會(huì)產(chǎn)生疲勞斷裂。此外由于各板件厚度大焊縫多，焊接時(shí)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力的問(wèn)題比較突出。

為研究此類構(gòu)件接頭區(qū)域焊接殘余應(yīng)力的大小及分布情況，專門制作了3個(gè)足尺比例試驗(yàn)構(gòu)件，通過(guò)對(duì)這3個(gè)試件的鋼錨拉板與工字梁連接區(qū)域焊縫殘余應(yīng)力測(cè)試，以及超聲波沖擊后焊接殘余應(yīng)力變化情況的試驗(yàn)研究，以確定焊后殘余應(yīng)力的大小及分布規(guī)律，并明確超聲沖擊方法對(duì)焊接殘余應(yīng)力的消除的作用及效果。

眾所周之焊接應(yīng)力是一種無(wú)荷載作用下的內(nèi)應(yīng)力，因此會(huì)在焊件內(nèi)部自相平衡，在焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力，而在距焊縫稍遠(yuǎn)區(qū)段的母材內(nèi)產(chǎn)生與之相平衡的殘余壓應(yīng)力。焊縫的拉應(yīng)力對(duì)焊縫的疲勞將產(chǎn)生非常不利的影響，是本次研究的對(duì)象，而殘余壓應(yīng)力對(duì)焊縫沒(méi)有不利的影響，此次測(cè)試以焊縫的殘余拉應(yīng)力為主要對(duì)象。測(cè)試采用了磁測(cè)法。3個(gè)試件編號(hào)分別為CJ1、CJ2和CJ3。

3個(gè)研究試件中共設(shè)43個(gè)焊接應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)，其中A焊縫為錨拉板與鋼主梁上翼緣的連接焊縫，相應(yīng)在構(gòu)件上的測(cè)點(diǎn)編號(hào)為A1，A2，…，A10。B焊縫為錨拉板與其加強(qiáng)板之間的連接焊縫，相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)編號(hào)為B1，B2，…，B7。具體的測(cè)點(diǎn)布置圖見文獻(xiàn)［8］.焊后應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分別如表2和表3。

表2 A焊縫測(cè)點(diǎn)應(yīng)力Tab.2 Stress value of points in A weld

(續(xù)表2)

表3 B焊縫測(cè)點(diǎn)應(yīng)力Tab.3 Stress value of points in B weld

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

表2和表3表分別為各構(gòu)件A焊縫和B焊縫的焊后測(cè)點(diǎn)應(yīng)力，其中σx為測(cè)點(diǎn)垂直焊縫方向應(yīng)力;σy為平行焊縫方向應(yīng)力;σ1與σ2為主應(yīng)力。

從焊接殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果中可以看出橫向應(yīng)力σx與主應(yīng)力σ2、縱向應(yīng)力σy與主應(yīng)力σ1，在大多數(shù)測(cè)點(diǎn)上較為接近，若只考慮平面應(yīng)力則縱向、橫向應(yīng)力的方向就近似為主應(yīng)力的方向。圖2和圖3分別為A、B焊縫的縱向殘余應(yīng)力分布情況。

從圖2中可以看出，各試件的A焊縫在位于端部處殘余應(yīng)力值較小，之后便大幅增長(zhǎng)，在距離焊縫端部400～450 mm以后焊接應(yīng)力值波動(dòng)較小，基本穩(wěn)定在較高的應(yīng)力水平上，形成了一個(gè)高殘余應(yīng)力平臺(tái)段。如試件CJ1的A3～A10段、CJ2的 A4～A7段及CJ3的 A3～A6段。3個(gè)試件的平臺(tái)段縱向焊接殘余應(yīng)力平均值分別為338、349、347 MPa均達(dá)到了Q370qE鋼材屈服強(qiáng)度的90%以上。由文獻(xiàn)［1］可知平臺(tái)段的長(zhǎng)度是隨著焊縫的長(zhǎng)度同步增長(zhǎng)的，而殘余應(yīng)力上升段根據(jù)不同的板厚在達(dá)到一定數(shù)值后將不再繼續(xù)增長(zhǎng)。因此A焊縫除去兩端部小部分的焊接應(yīng)力較小段和上升段外，大部分區(qū)段的縱向殘余應(yīng)力都處于屈服強(qiáng)度的90%左右的水平，這將對(duì)焊接接頭性能與構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生較大的不利影響。

圖2 A焊縫縱向殘余應(yīng)力分布Fig.2 The distribution of longitudinal residual stress in A weld

B焊縫的縱向殘余應(yīng)力分布與焊縫有同樣的規(guī)律，但焊接殘余應(yīng)力水平較A焊縫有明顯的降低。這是因?yàn)檫B接B焊縫的兩塊鋼板較A焊縫的薄。3個(gè)試件的焊縫的殘余應(yīng)力升高段為距焊縫端部為250～300 mm，在距端部300 mm以后形成高殘余應(yīng)力平臺(tái)段，比A焊縫平臺(tái)段縱向殘余應(yīng)力平均降低了18%，如圖3。

圖3 B焊縫縱向殘余應(yīng)力分布Fig.3 The distribution of longitudinal residual stress in B weld

除了焊縫的分布特點(diǎn)外，節(jié)點(diǎn)的局部構(gòu)造情況對(duì)焊縫應(yīng)力也有明顯的影響。在試件主梁上翼緣與錨拉板局部連接處，是截面突變的地方，也是內(nèi)力變化最大的地方，最容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，由于設(shè)計(jì)在構(gòu)造上比較周全的考慮，錨拉板截面在這里做了曲線型的平滑過(guò)渡，大大地降低了應(yīng)力集中的影響。圖2中的3個(gè)試件A1點(diǎn)的平均應(yīng)力為168 MPa，是前述3個(gè)試件平臺(tái)段平均應(yīng)力的48.7%，說(shuō)明錨拉板在這里的局部構(gòu)造非常重要，曲線型的平滑過(guò)渡對(duì)降低焊接殘余應(yīng)力起到很重要的作用。

超聲波沖擊對(duì)焊縫殘余應(yīng)力的消除，提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度有較為理想的效果［9］。此次試驗(yàn)研究采用了超聲波沖擊工藝消除焊接殘余應(yīng)力。經(jīng)過(guò)超聲沖擊后，A、B焊縫的大部分測(cè)點(diǎn)σy方向平均應(yīng)力下降73%左右，σx方向平均應(yīng)力下降65%，不少測(cè)點(diǎn)的焊接殘余應(yīng)力從拉應(yīng)力變?yōu)榱藟簯?yīng)力。這說(shuō)明超聲沖擊可大幅度削減殘余應(yīng)力的峰值，并能使焊接應(yīng)力分布更趨合理化，使焊縫及結(jié)構(gòu)連接的受力狀態(tài)得到根本改善［8］。具體情況在文獻(xiàn)［8］進(jìn)行了詳細(xì)的報(bào)道。超聲波沖擊的效果對(duì)改善焊縫及熱影響區(qū)的疲勞強(qiáng)度和韌性，提高構(gòu)件的制作質(zhì)量，保證構(gòu)件和連接部位的受力有著重要的意義。

4 結(jié)論

在文中磁測(cè)法為消除焊接殘余應(yīng)力提供了方便、可行、準(zhǔn)確的測(cè)試手段，試驗(yàn)研究表明，該方法具有測(cè)試靈敏度高、測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，特別是在復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)焊縫測(cè)試中，更顯示出它的靈活、快捷、環(huán)保以及操作簡(jiǎn)便等諸多的優(yōu)越性，已越來(lái)越受到業(yè)界的重視，是一種很有發(fā)展前景的應(yīng)力測(cè)試方法。相信在今后的橋梁及其它鋼結(jié)構(gòu)工程中，磁測(cè)法將越來(lái)越廣泛和深入地應(yīng)用于焊縫應(yīng)力的測(cè)試中，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

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