不銹鋼焊接箱形截面殘余應(yīng)力試驗與分布模型

王元清 袁煥鑫 石永久 舒贛平 廖東帆

(1清華大學土木工程系, 北京 100084)(2清華大學土木工程安全與耐久教育部重點實驗室, 北京 100084)(3東南大學土木工程學院, 南京 210096)(4深圳市麥諾幕墻技術(shù)有限公司, 深圳 518020)

普通鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕是其正常使用壽命周期內(nèi)的一個顯著問題,不僅會增大結(jié)構(gòu)維護成本,而且可能危及結(jié)構(gòu)安全．采用抗腐蝕的不銹鋼結(jié)構(gòu)可以從根本上解決這一問題,而且可以延長結(jié)構(gòu)的使用壽命,獲得良好的建筑外觀效果[1]．當前針對不銹鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的研究主要集中于冷成型構(gòu)件上．冷成型構(gòu)件的壁厚較小,承載能力受限;焊接截面構(gòu)件則可以組合較厚的板件,截面設(shè)計更為自由,不僅可以滿足建筑結(jié)構(gòu)承重骨架的大承載力需求,而且可以通過經(jīng)濟合理的截面設(shè)計實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計．焊接截面的殘余應(yīng)力分布對構(gòu)件的穩(wěn)定與承載性能具有重要影響,需要開展單獨深入的研究．

不銹鋼材的力學性能與普通碳素鋼存在較大區(qū)別,由于加入了高比例的合金元素,其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線上不存在明顯的屈服點和屈服平臺[2],而且熱學性能參數(shù)也與普通鋼材存在差別,這使得不銹鋼焊接箱形截面的殘余應(yīng)力分布不同于普通鋼材截面,原有的簡化分布模型往往不再適用,需要進行專門的試驗研究與分析．從發(fā)表的文獻來看,當前已有部分關(guān)于冷成型不銹鋼箱形截面構(gòu)件的殘余應(yīng)力研究．Young等[3]對2個不銹鋼冷軋不等邊箱形截面進行了完全分割,測得了截面的殘余應(yīng)力數(shù)值．Cruise等[4-5]采用分割法量測了18個冷成型不銹鋼構(gòu)件截面(其中包括7個冷軋不銹鋼箱形截面試件)的殘余應(yīng)力大小和分布,并提出了簡化分布模型．Jandera等[6]采用X射線衍射法對2個冷軋不銹鋼箱形截面的殘余應(yīng)力分布進行了測量.Quach等[7-8]對不銹鋼冷成型構(gòu)件加工過程中的殘余應(yīng)力進行了研究．

目前,就筆者所見文獻而言,尚無針對不銹鋼焊接箱形截面試件的殘余應(yīng)力試驗研究．本文對2種材料牌號的8個不銹鋼焊接箱形截面的殘余應(yīng)力分布進行了實測,得出截面焊接殘余應(yīng)力的大小與分布形態(tài),并基于實測數(shù)據(jù)，提出能夠準確預(yù)測截面殘余應(yīng)力分布的簡化模型．

1 材料力學性能

在切割下料的熱軋原板上切取材性試件,受拉與受壓材性試件的尺寸分別滿足GB/T 228—2010[9]和GB/T 7314—2005[10]的相關(guān)規(guī)定．單調(diào)拉伸和壓縮材性試驗均借助萬能試驗機進行,得到了2種牌號的不銹鋼力學性能參數(shù)[11].板材的縱向拉伸與壓縮力學性能指標見表1．表中,試件的組成板件厚度均為t=6mm;E0為材料彈性模量;σ0.01和σ0.2分別表示殘余應(yīng)變?yōu)?.01%和0.2%時的應(yīng)力值,且σ0.2即為不銹鋼材料的名義屈服強度;σu為極限受拉強度;εf為受拉材性試件的斷后伸長率．

表1 不銹鋼板材的縱向材性參數(shù)

2 殘余應(yīng)力試件

所設(shè)計的8個不銹鋼焊接箱形截面試件包括4個等邊箱形和4個不等邊箱形截面試件．不銹鋼的2種材料牌號為奧氏體型S30408(AISI 304,EN 1.4301)和雙相型S22253(2205,EN 1.4462)[12]．試件截面的形狀示意圖見圖1．圖中,B為截面寬度;b0為翼緣板在腹板間的無支承寬度;H為截面高度;h0為腹板在翼緣間的凈高度．試件組成板件均采用水切割下料而成,且所有板件均沿板材的軋制方向下料．箱形截面試件的翼緣和腹板之間采用坡口對接焊縫連接,焊腳尺寸hb=5mm．采用手工焊條電弧焊進行對稱施焊,盡量減少焊接變形．焊條的選擇應(yīng)與母材匹配,盡量保證熔敷金屬與母材金屬的一致性,奧氏體型S30408試件采用E308型焊條,雙相型S22253試件采用E2209型焊條．

圖1 殘余應(yīng)力箱形截面試件示意圖

試件加工完成后首先進行焊縫的外觀檢查,保證試件分割段焊縫的均勻性,以便得出具有代表性的量測結(jié)果．所加工的焊接不銹鋼箱形截面試件的平均實測尺寸見表2．試件截面的主要變化參數(shù)包括材料牌號、板件的寬厚比等．

殘余應(yīng)力試件段的長度為標距段長度加上兩端的預(yù)留長度．標距段長度即為Whittemore手持應(yīng)變儀的標準標距254mm．標距孔兩端各留25mm長的富余,以便在后續(xù)加工中保護標距孔遠離干擾．為了減少端部效應(yīng)和焊接過程中不均勻熱輸入的不利影響,分割段兩端各預(yù)留1.5倍截面橫向尺寸的長度(見圖2)[13]．而殘余應(yīng)力試件兩端的切割段將作為短柱試件,開展局部穩(wěn)定試驗研究,因此其長度也必須滿足不小于3倍構(gòu)件橫向尺寸的要求．

表2 箱形截面殘余應(yīng)力試件的截面實測尺寸

圖2 殘余應(yīng)力試件長度要求(單位：mm)

3 殘余應(yīng)力測量

采用分割法來完成試件截面殘余應(yīng)力的測量．將整體截面分割為預(yù)定的細小條帶,假定該過程完全釋放條帶內(nèi)的殘余應(yīng)力,所測得的全部條帶的殘余應(yīng)力即可反映截面上殘余應(yīng)力的大小及分布．殘余應(yīng)力測量試驗中的關(guān)鍵技術(shù)和步驟如下:

① 設(shè)定切割條帶并加工標距孔．條帶的基本寬度取為10mm,根據(jù)各個截面的實測尺寸進行細微調(diào)整,共計648個條帶．在構(gòu)件上按照設(shè)定的條帶寬度,于每個條帶中軸線的兩端加工標距孔(見圖3),標距孔直徑為2mm．鉆孔后進行倒角處理清除毛刺,倒角深度控制在0.5mm,共計1296個標距孔．

圖3 標距孔加工圖

② 測量初始標距長度．在對加工好的標距孔進行清潔處理后,采用Whittemore手持應(yīng)變儀測量每個條帶上外側(cè)標距孔的距離．初始標距長度r1取為3次讀數(shù)的平均值,溫度校正棒的相應(yīng)讀數(shù)記為t1．

③ 試件截面分解為組成板件．利用線切割機床(見圖4)從殘余應(yīng)力試件上切取下分割段,然后將試件截面沿焊縫位置切開,每個箱形截面試件分解成4塊組成板件,對板件內(nèi)側(cè)的標距孔進行倒角加工．補充測量條帶內(nèi)側(cè)的初始標距孔長度,并記錄相應(yīng)溫度矯正棒的讀數(shù)．

圖4 電火花線切割機床照片

④ 對試件截面進行完全分割．將各組成板件完全分割為條帶,充分釋放各條帶內(nèi)的殘余應(yīng)力,測量完全釋放殘余應(yīng)力后的條帶長度r2,相應(yīng)溫度校正棒的讀數(shù)記為t2．圖5展示了一個完全分割成條帶的試件——不等邊箱形截面R304-300．

圖5 完全分割的殘余應(yīng)力試件截面(R304-300)

本試驗中的切割技術(shù)為無附加熱量輸入的線切割,不會對截面的殘余應(yīng)力分布產(chǎn)生額外影響．測量工具為Whittemore機械式手持應(yīng)變儀,精確度達到2.5μm,測量的殘余應(yīng)變值可以精確至10-5．

4 試驗結(jié)果與分析

采用分割法將殘余應(yīng)力試件截面完全分割后,基于測得的標距孔長度,單個條帶所釋放的殘余應(yīng)變可以根據(jù)下式計算得到:

(1)

式中,L0=254mm為條帶的初始標準標距．在截面完全分割后,少數(shù)位于對接焊縫附近的條帶呈現(xiàn)出較明顯的彎曲形狀,手持應(yīng)變儀直接測量得到的最終條帶長度為偏短的弦長,故需要根據(jù)彎曲矢高對式(1)計算得到的殘余應(yīng)變進行近似弧長修正[14],得到修正的應(yīng)變εc為

(2)

式中,δ為彎曲矢高;L=L0+(r1-t1) 為條帶的初始標距長度．當δ/L<0.001時,條帶彎曲導致的影響可以忽略不計,即不考慮式(2)的弧長修正．

將測得的釋放殘余應(yīng)變乘以材料受拉或受壓彈性模量,即可得出條帶釋放的殘余應(yīng)力值．釋放的殘余應(yīng)變?yōu)樨撝禃r對應(yīng)受拉殘余應(yīng)力,殘余應(yīng)變?yōu)檎禃r對應(yīng)受壓殘余應(yīng)力．將各個條帶所釋放的殘余應(yīng)力匯總,并對應(yīng)原條帶切分的具體位置,繪制出所測全部8個箱形試件截面上的焊接殘余應(yīng)力分布形態(tài)(見圖6)．將條帶內(nèi)側(cè)與外側(cè)的殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)進行數(shù)值平均,所得的平均值可以近似認為是板件中心厚度位置的殘余應(yīng)力值．

由圖6可知,所有不銹鋼焊接箱形截面試件的殘余應(yīng)力分布形態(tài)規(guī)則、連續(xù),在翼緣和腹板的對接焊縫附近存在較高的殘余拉應(yīng)力,在板件中部則呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力．主要特征包括以下3點:

1) 對接焊縫附近的殘余拉應(yīng)力峰值較高,而且翼緣和腹板的殘余拉應(yīng)力峰值相當．對于S30408和S22253兩種牌號的不銹鋼箱形截面,殘余拉應(yīng)力峰值的平均幅值分別為198和305MPa,而峰值應(yīng)力分別達到236(即0.75σ0.2)和348MPa(即0.58σ0.2)．

2) 組成板件殘余壓應(yīng)力的峰值與板件的寬厚比直接相關(guān),板件的寬厚比越大,殘余壓應(yīng)力峰值越小．對于等邊箱形截面而言,翼緣板和腹板中部的殘余壓應(yīng)力峰值相當;對于不等邊箱形截面而言,短邊的殘余壓應(yīng)力峰值一般大于長邊．具體來說,板件S304-130的平均殘余壓應(yīng)力峰值為162MPa(即0.58σ0.2),而板件S304-300的平均峰值僅為78MPa(即0.28σ0.2)．

圖6 實測焊接不銹鋼箱形截面殘余應(yīng)力的分布形態(tài)

3) 由于條帶的內(nèi)側(cè)殘余應(yīng)力值是將截面分割成組成板件后進行補充測量得到的,在切分過程中已經(jīng)釋放了一部分殘余應(yīng)力,因此內(nèi)側(cè)應(yīng)力值一般低于外側(cè)值．但由于釋放的殘余應(yīng)力有限,二者之間的差別仍然處于可以接受的范圍內(nèi)．

5 簡化的殘余應(yīng)力分布模型

5.1 現(xiàn)有的簡化分布模型

根據(jù)試驗測得的殘余應(yīng)力數(shù)據(jù),可將不銹鋼焊接箱形截面殘余應(yīng)力分布簡化為如圖7所示的分布形態(tài)．圖中,σft和σwt分別為翼緣和腹板的殘余拉應(yīng)力峰值;σfc和σwc分別為翼緣和腹板的殘余壓應(yīng)力峰值;e和g分別表示翼緣和腹板的拉應(yīng)力峰值區(qū)域?qū)挾?f和h分別表示翼緣和腹板的拉壓應(yīng)力轉(zhuǎn)換區(qū)域?qū)挾龋?/p>

圖7 殘余應(yīng)力分布形態(tài)示意

試驗結(jié)果表明,σft和σwt可以取為相等,而且箱形截面上單塊板件的殘余應(yīng)力可以實現(xiàn)自平衡,殘余應(yīng)力峰值之間具有如下的平衡關(guān)系式:

(3)

就筆者所知,現(xiàn)有的相關(guān)研究只針對冷成型的不銹鋼箱形截面,尚沒有關(guān)于不銹鋼焊接箱形截面殘余應(yīng)力分布的試驗研究．試件截面內(nèi)殘余拉應(yīng)力峰值一般低于材料的名義屈服強度，奧氏體型S30408和雙相型S22253兩種不銹鋼試件分別大約達到其名義屈服強度的80%和60%。ECCS的設(shè)計手冊[15]中給出了普通碳素鋼焊接箱形截面的殘余應(yīng)力分布簡化模型.表3列出了該簡化模型的分布參數(shù)值．

表3 ECCS殘余應(yīng)力分布模型參數(shù)值

該ECCS簡化模型針對不同的板件寬厚比提出了不同的分布參數(shù)．當板件寬厚比較小時,不再考慮殘余拉應(yīng)力區(qū)的寬度,板件的殘余壓應(yīng)力根據(jù)板件的自平衡條件計算得出．

將該模型與8個不銹鋼焊接箱形截面試件的實測殘余應(yīng)力結(jié)果進行對比,對殘余應(yīng)力采用材料名義屈服強度σ0.2進行正則化,同時對條帶的位置進行歸一化,結(jié)果如圖8所示．圖中，σr/σ0.2表示歸一化殘余應(yīng)力值；x/(B/2)表示在翼緣板內(nèi)殘余應(yīng)力條帶對應(yīng)的歸一化位置；y/(h0/2)表示在腹板內(nèi)殘余應(yīng)力條帶對應(yīng)的歸一化位置。從圖中可以看出,ECCS建議的分布模型的拉應(yīng)力峰值偏大,殘余拉應(yīng)力與壓應(yīng)力之間的轉(zhuǎn)換區(qū)段模擬不夠準確,難以合理預(yù)測板件中部殘余壓應(yīng)力的幅值．因此,需要根據(jù)試驗得出的不銹鋼焊接箱形截面殘余應(yīng)力分布特點,研究對應(yīng)的簡化殘余應(yīng)力分布模型．

5.2 修正的殘余應(yīng)力分布模型

從試驗結(jié)果與ECCS殘余應(yīng)力簡化分布模型的對比出發(fā),對ECCS分布模型進行修正,調(diào)整模型中特征參數(shù)取值,降低焊縫附近的殘余拉應(yīng)力峰值,考慮拉應(yīng)力區(qū)域?qū)挾扰c板件寬度的相關(guān)性,并且增大殘余拉應(yīng)力與壓應(yīng)力之間過渡區(qū)域長度,提出了如表4所示的不銹鋼焊接箱形截面殘余應(yīng)力簡化分布模型．板件中部殘余壓應(yīng)力峰值可以根據(jù)截面平衡條件式(3)計算得到．

表4 建議分布模型的特征參數(shù)

由于鐵素體型不銹鋼在材料性能上與雙相型具有較大程度的相似性,故可以套用雙相型不銹鋼焊接箱形截面的殘余應(yīng)力分布模型．將實測的殘余應(yīng)力試驗結(jié)果與該建議模型進行比較,結(jié)果見圖9．由圖可知,所提出的建議分布模型能夠準確可靠地模擬奧氏體型S30408和雙相型S22253不銹鋼焊接箱形截面的殘余應(yīng)力分布形態(tài),預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好,故可以推薦作為不銹鋼焊接箱形截面的殘余應(yīng)力分布模型．

6 結(jié)論

1) 利用分割法將8個不銹鋼焊接箱形截面試件完全切分,測量釋放的殘余應(yīng)力,得到了奧氏體型S30408和雙相型S22253兩種不銹鋼牌號的焊接箱形截面殘余應(yīng)力的實測數(shù)據(jù)．

圖8 試驗結(jié)果與ECCS分布模型對比

圖9 建議分布模型與測得的殘余應(yīng)力試驗結(jié)果對比

2) 不銹鋼焊接箱形截面的翼緣和腹板在焊縫位置的殘余拉應(yīng)力相當,但其峰值仍低于材料的名義屈服強度．對奧氏體型S30408和雙相型S22253兩種牌號的試件截面而言,該峰值分別接近其名義屈服強度的80%和60%．

3) 焊接箱形截面組成板件中部呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力,其幅值與板件寬厚比直接相關(guān)．殘余壓應(yīng)力的峰值隨板件寬厚比的增大而降低．

4) 原有的針對普通鋼材焊接箱形截面的殘余應(yīng)力分布模型不再適用,在殘余應(yīng)力幅值、各應(yīng)力區(qū)域?qū)挾鹊确矫婢鶡o法對不銹鋼焊接箱形截面的殘余應(yīng)力進行準確模擬．

5) 根據(jù)得到的殘余應(yīng)力實測數(shù)據(jù),對原有的普通鋼材殘余應(yīng)力分布模型進行了適當修正,提出了適用于不銹鋼焊接箱形截面殘余應(yīng)力分布形態(tài)的簡化模型．該模型能準確合理地預(yù)測焊接殘余應(yīng)力的大小與分布形態(tài),可以為不銹鋼構(gòu)件穩(wěn)定性的研究提供參考依據(jù)．

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