鋼結(jié)構(gòu)的焊接缺陷對構(gòu)件動(dòng)力特征的影響

魏科豐

(長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，荊州 434023)

鋼結(jié)構(gòu)的焊接缺陷對構(gòu)件動(dòng)力特征的影響

魏科豐

(長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，荊州 434023)

鋼結(jié)構(gòu)焊接損傷即在焊接過程中由于大量的瞬時(shí)熱量輸入，焊后會產(chǎn)生部分焊接缺陷，這些焊接缺陷包括：殘余應(yīng)力、氣孔、夾雜、咬邊、裂紋等。焊接缺陷將給鋼結(jié)構(gòu)的整體受力性能、疲勞強(qiáng)度和穩(wěn)定性帶來不利影響，特別是在地震荷載、沖擊荷載等動(dòng)力荷載作用下影響較明顯，使得鋼結(jié)構(gòu)的安全性有一定的降低。本文總結(jié)了鋼結(jié)構(gòu)在焊接過程中可能存在的焊接缺陷問題，專門針對焊接不飽和問題提出通過構(gòu)件在不同焊接率情況下的動(dòng)力特性試驗(yàn)來研究不飽和焊接對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件動(dòng)力特性的影響，為了分析不同支座對試驗(yàn)結(jié)果的影響，對焊接率分別為17.3%、33.3%、40%、65.3%、70%、100%共五種不同焊接長度的鋼梁進(jìn)行模態(tài)分析，采集了部分模態(tài)數(shù)據(jù)，并與完全焊接的工字鋼梁進(jìn)行對比分析，得出了不同的焊接率對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件動(dòng)力特性的影響結(jié)論，為鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

焊接殘余應(yīng)力; 動(dòng)力特性; 模態(tài)分析

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在焊接過程中會由于各種原因存在缺陷，焊接缺陷將直接導(dǎo)致焊接接頭承載力下降，從而影響到整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全使用。焊接缺陷在整個(gè)焊縫中都可能存在，一般分為外部缺陷和內(nèi)部缺陷，常見的焊接缺陷有未焊透、未熔合、氣孔、夾渣、焊接裂紋、焊瘤、弧坑等，還有可能出現(xiàn)焊縫外形尺寸和形狀不符合設(shè)計(jì)要求。焊接缺陷對鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性、承載力及抗震性、延性等都有很大影響，本文重點(diǎn)考慮了焊縫尺寸缺陷引起的動(dòng)力特性影響，然后利用模態(tài)分析技術(shù)對整個(gè)試驗(yàn)過程進(jìn)行了分析，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論，為鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 焊接缺陷的分類

1.1 氣孔

鋼結(jié)構(gòu)在焊接過程中由于坡口邊緣不清潔，有油污、銹跡和水分，這些都能導(dǎo)致熔池中的氣泡在凝固時(shí)不能完全逸出而形成孔穴，這些孔穴稱為氣孔。此外焊芯銹蝕、未按照規(guī)定焙烘焊條、電弧過長，焊接速度過快都可能在焊接過程中形成氣孔，氣孔使得鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的焊縫有效連接截面變小，降低承載力，氣孔過大甚至降低焊縫的強(qiáng)度，破壞焊縫金屬的致密性。

1.2 夾渣和咬邊

形成夾渣的主要原因是在焊縫金屬中殘留有非金屬雜質(zhì)，坡口角度或焊接電流太小或焊接速度過快，夾渣會直接降低焊縫的密實(shí)性和強(qiáng)度。在實(shí)際工程中，使用酸性焊條焊接時(shí)由于電流太小以及使用焊條不當(dāng)容易形成“糊渣”，使用堿性焊條時(shí)由于電弧過長或者操作時(shí)極性不正確同樣會造成夾渣。所謂咬邊就是焊接過程中在焊縫邊緣留下的凹陷，主要原因是焊接時(shí)電流過大，操作焊條的速到過快，電弧拉得太長或在焊接時(shí)焊條角度不當(dāng)?shù)取Ｒн呑畲蟮奈：κ菧p小了鋼結(jié)構(gòu)接頭的工作截面，在承受外荷載時(shí)，容易在咬邊處形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞，在承受動(dòng)荷載和重要的結(jié)構(gòu)中一般不允許咬邊的存在，或?qū)Υ嬖诘囊н吷疃扔兴拗啤?/p>

1.3 焊接過程中未焊透、未熔合的問題

所謂未焊透就是在焊接過程中接頭部位沒有完全熔透的現(xiàn)象，未熔合指焊縫金屬間局部未熔透的現(xiàn)象。這兩種情況都是比較嚴(yán)重的焊接缺陷，因?yàn)闀?dǎo)致焊縫出現(xiàn)不連續(xù)或突變，使得焊縫的強(qiáng)度大大降低，嚴(yán)重時(shí)甚至引起裂紋。產(chǎn)生的主要原因是焊條直徑太大、電流過小、速度太快或者坡口角度太小，同時(shí)在焊接過程中焊件坡口表面存在氧化膜、油污、操作焊條時(shí)運(yùn)條手法不當(dāng)都會造成未焊透、未熔合的問題。

1.4 焊接裂紋

焊接裂紋一般分為熱裂紋和冷裂紋，所謂熱裂紋就是焊縫金屬在由液態(tài)到固態(tài)的結(jié)晶過程中產(chǎn)生的裂紋，這種裂紋焊接后立即出現(xiàn)，在焊縫中心比較多見，分布主要沿著焊縫長度方向，其裂口大部分貫穿構(gòu)件表面，裂紋末端近似圓形，主要原因是焊接熔池中部分雜質(zhì)熔點(diǎn)低，因此結(jié)晶凝固比較晚，導(dǎo)致其塑性和強(qiáng)度都較低，硫、銅等雜質(zhì)在焊條中達(dá)到一定含量也會產(chǎn)生熱裂紋。冷裂紋和熱裂紋不同，它主要出現(xiàn)在冷卻過程或冷卻以后，出現(xiàn)時(shí)間比熱裂紋出現(xiàn)要晚，也有可能焊后馬上出現(xiàn)，還有可能幾天甚至更長時(shí)間才出現(xiàn)。產(chǎn)生冷裂紋的主要原因是焊接接頭承受有較大的拘束應(yīng)力，焊縫中存有過量的擴(kuò)散氫，且具有聚集的條件等。焊接裂紋會對結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生重要影響，因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)在破壞是多從裂紋處開始，所以在焊接過程中要盡可能地防止出現(xiàn)熱裂紋和冷裂紋，在焊接完成后要及時(shí)檢查有無裂紋，對于可能存在的裂紋要及時(shí)修補(bǔ)，避免破壞結(jié)構(gòu)的整體性。

1.5 其它焊接缺陷

其它焊接缺陷主要是焊瘤、弧坑，還有可能出現(xiàn)焊縫外形尺寸和形狀不符合設(shè)計(jì)要求，如果在焊接過程中操作焊條不當(dāng)，造成熔池溫度過高，這會導(dǎo)致部分液態(tài)金屬凝固而緩慢下墜，在焊縫表面形成焊瘤，熄弧時(shí)間過短，或焊接突然中斷，或焊接薄板時(shí)電流過大等都會產(chǎn)生弧坑，在弧坑周圍常有裂紋和氣孔，這會使得鋼結(jié)構(gòu)焊接強(qiáng)度大大降低。

2 不同焊縫率鋼梁試驗(yàn)的模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析理論

根據(jù)模態(tài)分析過程中所采用的手段和方法不同，模態(tài)分析分為計(jì)算模態(tài)分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，模態(tài)分析是將線性定常系統(tǒng)振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)和解耦方程組，使之成為一組用模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)來描述的方程，然后求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。計(jì)算模態(tài)分析是從結(jié)構(gòu)的幾何特性和材料特性兩個(gè)方面出發(fā)，采用有限元法形成系統(tǒng)的離散數(shù)學(xué)模型，從而形成質(zhì)量矩陣和剛度矩陣，最后求解特征值來確定系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析剛好相反，其核心是模態(tài)參數(shù)識別，主要基于系統(tǒng)響應(yīng)和激振力的動(dòng)態(tài)測試，由系統(tǒng)輸入(激振力)和輸出(響應(yīng))數(shù)據(jù)，經(jīng)信號處理和參數(shù)識別確定系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。

2.2 模態(tài)分析參數(shù)識別方法

模態(tài)分析從本質(zhì)上說是一種參數(shù)識別方法，模態(tài)試驗(yàn)就是通過采集數(shù)據(jù)然后對其處理和分析，從而尋求“模態(tài)參數(shù)”的過程。通過試驗(yàn)采集系統(tǒng)的輸入輸出信號，經(jīng)過參數(shù)識別獲得模態(tài)參數(shù)，振動(dòng)測試就是通過傳感器、放大儀器來測量工程結(jié)構(gòu)在外界激勵(lì)或運(yùn)行工況中其重要部位的位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)量，從而了解結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，本試驗(yàn)采用的模態(tài)參數(shù)識別方法為頻域識別法。

2.3 模態(tài)測試系統(tǒng)及試驗(yàn)儀器

振動(dòng)測試系統(tǒng)由激振部分、分析軟件、顯示儀器、記錄部分共同組成，數(shù)據(jù)采集的目的是為了將一個(gè)連續(xù)的、變化的模擬量信號在時(shí)間域上離散化，將時(shí)間離散但幅值連續(xù)的信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉涤螂x散的數(shù)字信號。從采樣信號的頻譜中取出原始信號頻譜這樣做是為了使采樣過程不丟失信息。本試驗(yàn)采用DASP-V10多通道信號采集處理分析軟件和與此軟件配套的INV3018C型動(dòng)態(tài)信號采集處理分析儀器，試驗(yàn)用儀器具體參數(shù)如表1所示。

表1 儀器參數(shù)

3 試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)?zāi)康募八貌牧蠋缀纬叽?/p>

本試驗(yàn)主要是對不同焊接率的焊接鋼梁進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，采用上面介紹的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)識別，從而確定其模態(tài)參數(shù)，為研究結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性與焊縫長度及焊接率的關(guān)系打下基礎(chǔ)。本文選取了不同焊接率的同規(guī)格截面鋼梁來進(jìn)行模態(tài)分析，考慮焊接變形焊接鋼梁采用兩塊10號槽鋼，雙面焊接。該槽鋼腹板高度H=100mm，其截面如圖1、圖2所示，槽鋼材料為A3鋼，彈性模量為E=2.1×1010N/m2，泊松比ν=0.3，密度ρp=7.8×103kg/m3，鋼梁單位長度密度ρL=14.3kg/m。

圖1 焊接鋼梁截面尺寸圖

圖2 不同焊縫長度焊接鋼梁試件

3.2 簡支梁模型

本試驗(yàn)鋼梁長度為3 000mm，支座間中心距離2 600mm，沿長度方向每200mm劃分一個(gè)單元，共分為14個(gè)結(jié)點(diǎn)和13個(gè)單元，其模型如圖3所示。

3.3 焊接鋼梁焊縫布置模型圖

焊縫焊接圖如圖4所示，實(shí)際焊接率如表2所示。

3.4 試件的支承及試驗(yàn)布置簡圖

試驗(yàn)構(gòu)件可以采用兩端鉸支、固定支座等，本試驗(yàn)采用兩端鉸支，主要原因是可以減少支座對試驗(yàn)試件固有頻率的影響，能達(dá)到試驗(yàn)的預(yù)期目的，如果采用固定支座必然要求進(jìn)行焊接，但前面介紹過焊接會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力會對本試驗(yàn)產(chǎn)生干擾，影響試驗(yàn)結(jié)果。

本試驗(yàn)構(gòu)件總長3 000mm，簡支間構(gòu)件長度為2 600mm。在試驗(yàn)開始之前將板劃分為13個(gè)單元，每個(gè)單元長度為200mm。本試驗(yàn)采用的是多點(diǎn)激勵(lì)單點(diǎn)響應(yīng)的方法，試驗(yàn)構(gòu)件選取14個(gè)激勵(lì)點(diǎn)，1個(gè)響應(yīng)點(diǎn)。將響應(yīng)點(diǎn)布置在構(gòu)件的第7點(diǎn)即構(gòu)件中心，這也是為了方便信息采集和數(shù)據(jù)處理，其實(shí)驗(yàn)布置簡圖如圖5所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)曲線擬合，各組曲線走勢明確，數(shù)據(jù)擬合較好，由此得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，離散型不大。然后對同組數(shù)據(jù)進(jìn)行同階數(shù)據(jù)取平均值，得到不同焊接率鋼梁頻率分布圖如圖6所示。

不同焊接率的影響下試件頻率變化表如表3所示：

由圖6及表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析可以得出如下結(jié)論：焊接在鋼梁中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力最大值在焊縫兩端，其次在焊縫中部。通過分析發(fā)現(xiàn)：溫度場分布極不均勻，產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，故此處的殘余應(yīng)力呈最大化。因此可以看出，焊接應(yīng)力集中必會導(dǎo)致受力構(gòu)件的內(nèi)力變化，受力特性改變。隨著焊接率的增大，焊接鋼梁頻率有所提高。焊接率對焊接鋼梁的前二階頻率影響不大，隨著分析模態(tài)階數(shù)增加而變化越明顯。試驗(yàn)結(jié)果的單組數(shù)據(jù)雖然不能明確說明焊接缺陷對鋼梁模態(tài)的影響規(guī)律，但是通過多組數(shù)據(jù)的對比分析可以清楚的看到焊接率增長前后的模態(tài)變化。

表2 焊接鋼梁焊接率

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

焊接率對試件動(dòng)力特性的影響，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：

(1)對試件固有頻率的影響，焊接鋼梁隨著焊接率的增加，其固有模態(tài)頻率隨之增大；

(2)對試件振型的影響，焊接鋼梁的振型前三階與理論計(jì)算較為吻合，其后階數(shù)振型軌跡圖顯示焊接對振型的影響較大；

(3)對試件阻尼比的影響，由于自制簡支支座的影響，焊接鋼梁的阻尼比在本實(shí)驗(yàn)中橫向與縱向?qū)Ρ榷驾^為混亂，如采用懸掛支座可能有利于阻尼比數(shù)據(jù)的采集。

圖4 焊接焊縫圖

模態(tài)階次測試內(nèi)容理論計(jì)算焊接率%17.30%33.30%40%65.30%70%100%1頻率(Hz)45.846.046.246.446.646.8相對變化率(%)2.151.711.390.850.4302頻率(Hz)160.2165.4166.0166.7165.4167.8相對變化率(%)4.491.441.070.661.4103頻率(Hz)244.1271.2264.3293.6294.8300.1相對變化率(%)18.689.6311.932.161.7704頻率(Hz)287.8381.9386.3390.4388.0391.0相對變化率(%)26.382.311.190.130.7505頻率(Hz)320.5532.3572.6619.9622.3635.3相對變化率(%)49.5516.219.872.432.0506頻率(Hz)413.0604.0755.7817.3818.6827.4相對變化率(%)50.0926.998.661.211.0607頻率(Hz)479.9768.8838.1839.5890.8853.0相對變化率(%)43.749.861.751.584.4408頻率(Hz)621.5826.2899.3875.6935.1948.4相對變化率(%)34.4612.885.187.671.4109頻率(Hz)764.3927.2953.5940.31005.81074.4相對變化率(%)28.8613.7011.2612.486.38010頻率(Hz)935.01002.61010.41024.51209.61207.6相對變化率(%)22.5716.9716.3315.160.170

圖5 焊接鋼梁試驗(yàn)布置簡圖

圖6 不同焊接率構(gòu)件頻率

5 結(jié)論與展望

本試驗(yàn)主要是分析焊接率對鋼結(jié)構(gòu)試件動(dòng)力特征的影響，將理論分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合起來進(jìn)行了研究，隨著焊接率的增加，焊接鋼梁的固有模態(tài)頻率隨之增大，焊接構(gòu)件后面階數(shù)振型受焊接因素影響較大，本文對焊接鋼梁焊縫周圍殘余應(yīng)力分布作了準(zhǔn)確的分析，探討了鋼梁的模態(tài)頻率、質(zhì)量、振型和剛度的關(guān)系，說明了試驗(yàn)支座對焊接鋼梁頻率、振型產(chǎn)生的不同影響。由于實(shí)驗(yàn)室各方面條件的限制，本試驗(yàn)存在一些問題和不足之處，主要表現(xiàn)在如何利用有限元模型來與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)不足，其次在進(jìn)行有限元分析時(shí)如何將復(fù)雜的焊接形式進(jìn)行模擬，因此準(zhǔn)確的有限元模型和試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行對比研究是十分必要的。為了使研究結(jié)果更具有說服力，需要對多種支座系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，而試驗(yàn)計(jì)算時(shí)做了理想假設(shè)，這些假設(shè)可能不符合實(shí)際情況，這是存在的一個(gè)問題。因此，如何構(gòu)造更多、更合理的支座系統(tǒng)，減少試驗(yàn)誤差也是今后研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

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Effect of Welding Defects in the Steel Structure on the Dynamic Character

Wei Kefeng

(CollegeofTechnology&Engineering,YangtzeUniversity,Jingzhou434020,China)

Steel structure welding damage is a result of a large number of instantaneous heat input in the process of welding. Welding produces some welding defects including residual stress cracks, porosity, inclusions and bite edge. Weld defects bring adverse effect to the steel structure including overall mechanical properties, fatigue strength and stability, especially the seismic load and impact load under dynamic load effect,which reduces the security of the steel structure. The paper summarizes the possible welding steel structure in the process of welding defects, specifically for the welding problem of unsaturated by components in the different welding rate of dynamic characteristic test to study the dynamic characteristics of the unsaturated welding of steel structures. To analyze the impact of different support on the test results, it analyzes five different welding length of steel beams on the modal analysis with welding rates of 17.3%, 33.3%, 40%, 33.3%, 70%, 100%, collects modal data and compares different welding rates of steel structures .The influence of different welding rates on the dynamic charateristics of steel structures is analysed as the conclusion, which provides theoretical and experimental basis for the design and construction of steel structures.

Welding Residual Stress; Dynamic Characteristics; Modal Analysis

魏科豐(1981-),男,漢族，碩士,講師。主要從事土木工程專業(yè)的教學(xué)與科研工作。

TU311.3;TU391:TU758.11

A

1674-7461(2015)02-0113-05