建筑鋼結(jié)構(gòu)熔透對(duì)接焊縫瑕疵對(duì)焊縫剪切和拉剪強(qiáng)度影響的研究

楊曉東,楊明瀟,王楊俊

(1．西安建筑科技大學(xué) 材料與礦資學(xué)院，陜西 西安 710055；2．陜西石泉縣方源建材檢驗(yàn)檢測有限公司，陜西 石泉 725200 ；3．陜西省紡織科學(xué)研究所，陜西 西安 710038)

建筑鋼結(jié)構(gòu)安裝熔透焊縫是荷載傳遞的關(guān)鍵部位之一.現(xiàn)場安裝焊縫，受環(huán)境、天氣等諸多外界因素影響，瑕疵的出現(xiàn)不可難避免.國內(nèi)外一些學(xué)者雖然有研究焊接瑕疵與焊縫承載力相關(guān)性及焊縫力學(xué)性能[1-14]，如“帶焊縫缺陷輸電桿塔直縫焊管強(qiáng)度試驗(yàn)研究”、“含缺陷海洋焊接結(jié)構(gòu)的安全評(píng)定”、“高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架中的橫梁與側(cè)梁處的環(huán)向角焊接缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響”等 ，然而對(duì)于瑕疵大小、位置與建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫抗力的變化特征研究相對(duì)較少.實(shí)際的建筑鋼結(jié)構(gòu)中，有些焊縫主要處于單項(xiàng)受剪狀態(tài)，有些焊縫受力為復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)，如H型鋼梁(受彎構(gòu)件)上，在焊縫附近有集中荷載時(shí)，一些焊縫截面上會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力和剪應(yīng)力組合的復(fù)合應(yīng)力.焊縫中瑕疵大小達(dá)到什么程度，構(gòu)件在剪應(yīng)力、拉應(yīng)力和剪應(yīng)力組合條件下會(huì)失效，需要研究.本課題較系統(tǒng)的研究了熔透對(duì)接焊縫不同位置中存在的不同的“瑕疵特征值”(瑕疵大小的相對(duì)量)，對(duì)焊縫剪切和拉剪強(qiáng)度變化特征的影響.

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 研究用設(shè)備和儀器

(1)測力實(shí)驗(yàn)裝置

WAW-2000電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)，示值精度不小于1%.測力方法以《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》GB/T 228.1-2010中拉伸方法為依據(jù).

(2)瑕疵檢測

模擬式超聲波探傷儀.

探頭(換能器)：橫波入射角度70.5°，晶片面積6 mm×6 mm.

1.2 研究用材料

1.2.1 實(shí)驗(yàn)材料的規(guī)格和力學(xué)性能指標(biāo)

電焊條規(guī)格E5003；鋼材為厚度16 mm以下的 Q345鋼板.研究用材料強(qiáng)度、斷后伸長率技術(shù)指標(biāo)如表1所示.

1.2.2 研究的焊縫類別及強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

研究采用的焊縫類別及現(xiàn)行規(guī)范焊縫設(shè)計(jì)值[15]如表2所示.

表1 E5003焊條和Q345鋼板力學(xué)性能Tab.1 E5003 welding electrode and Q345 steel strength and break elongation

表2 Q345鋼材熔透焊縫設(shè)計(jì)值Tab.2 Q345 strength design of butt weld fusion

1. 3 瑕疵歸一化及預(yù)設(shè)部位

本文研究的焊接瑕疵歸一化，以瑕疵大小與焊縫大小比值，即“瑕疵特征值(ε)”表示[16-17].

瑕疵在焊縫中位置設(shè)置有兩種：一種距受力方向較遠(yuǎn)的接近表面區(qū)域(不開口的瑕疵)，用符號(hào)“r”表示——r類瑕疵，另一種焊縫內(nèi)部靠近焊縫核心區(qū)域部位，用符號(hào)“c”表示——c類瑕疵.

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1 焊縫剪切試驗(yàn)設(shè)計(jì)

焊縫剪切加荷試驗(yàn)設(shè)計(jì),如圖1所示.

圖1 對(duì)接焊縫剪切實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 butt weld shear test devices

1.4.2 焊縫拉剪試驗(yàn)設(shè)計(jì)

制作2個(gè)等長H型試件，上下翼板對(duì)焊，腹板接口不焊接，焊后試件在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上簡支安放；在上翼板距焊縫50 mm處施加集中荷載(構(gòu)件拼裝截面處，腹板截面應(yīng)力為零)，下翼板焊縫將產(chǎn)生拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的復(fù)合應(yīng)力.試件和試驗(yàn)裝置，如圖2所示.

圖2 H型受彎試件Fig.2 tensile and shear complex stress component and test device

瑕疵位置：施工現(xiàn)場安裝焊縫結(jié)構(gòu)中，H型構(gòu)件翼緣板對(duì)接焊接c類瑕疵大多數(shù)在靠近腹板一側(cè)，所以試驗(yàn)構(gòu)件的焊接c類瑕疵留在靠近腹板一側(cè)(瑕疵埋于下翼緣板焊縫中)； r類瑕疵，置于下翼緣板焊縫近外表面一側(cè).

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 剪力作用下焊縫剪切強(qiáng)度變化特征

1)c類瑕疵特征值ε變化焊縫剪切強(qiáng)度變化特征試驗(yàn)，如表3所示.

表3 c類瑕疵焊縫剪切試驗(yàn)Tab.3 Test results of class c flaw of butt weld fusion shear

表3數(shù)據(jù)分析，如圖3所示.

圖3 c類瑕疵 τ隨ε變化特征Fig.3 Shear strength analysis diagram of class c flaw of butt weld fusion

對(duì)圖3進(jìn)一步分析，焊縫抗剪強(qiáng)度(τ)隨c類瑕疵特征值(ε)變化特征，如表4所示.

表4 c類瑕疵焊縫剪切強(qiáng)度變化特征Tab.4 Characteristics of Class c flaw of weld shear strength

2)r類瑕疵特征值ε變化焊縫剪切強(qiáng)度變化特征實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表5所示.

表5 r類瑕疵焊縫剪切實(shí)驗(yàn)Tab.5 Results of Class r flaw of butt weld fusion shear test

表5試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，如圖4所示.

圖4 r類瑕疵τ隨ε變化特征Fig.4 Analysis diagram of class r flaw of butt weld fusion-shear strength

對(duì)圖4進(jìn)一步分析，焊縫抗剪強(qiáng)度(τ)隨r類瑕疵特征值(ε)變化特征規(guī)律，如表6所示.

表6 r類瑕疵焊縫剪切強(qiáng)度變化特征Tab.6 Class r flaw of weld shear strength characteristics

2.2 焊縫拉剪強(qiáng)度變化特征研究

1)焊接過程形成c類瑕疵，對(duì)H型構(gòu)件下翼緣板對(duì)接焊縫拉剪復(fù)合強(qiáng)度變化特征試驗(yàn)，結(jié)果如表7所示.

表7中c類瑕疵焊縫拉剪數(shù)據(jù)分析，如圖5所示.

對(duì)圖5進(jìn)一步分析，焊縫拉剪復(fù)合強(qiáng)度(R)隨c類瑕疵特征值(ε)變化特征，如表8.

圖5 c類瑕疵焊縫R隨ε變化特征Fig.5 Analysis diagram of class c flaw tensile-shear strength

表7 H型構(gòu)件下翼緣c類瑕疵焊縫拉剪Tab.7 Tensile-shear test results of H component class c flaw

表8 c類瑕疵焊縫拉剪復(fù)合強(qiáng)度變化特征Tab.8 Characteristics of Class c flaw of weld tensile and shear strength

2)焊接過程形成r類瑕疵，對(duì)H型構(gòu)件下翼緣板對(duì)接焊縫拉剪復(fù)合強(qiáng)度變化特征的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，較小的瑕疵特征值會(huì)導(dǎo)致焊縫在較小的荷載下破壞，H型構(gòu)件焊縫(下翼緣板)拉剪強(qiáng)度變化特征試驗(yàn),如表9所示.

表9 H型構(gòu)件下翼緣r類瑕疵焊縫拉剪Tab.9 Tensile-shear test results of H component class r flaw

表9數(shù)據(jù)分析，如圖6.

對(duì)圖6進(jìn)一步分析，焊縫拉剪復(fù)合強(qiáng)度(R)隨r類瑕疵特征值(ε)變化特征，如表10.

比較r類瑕疵和c類瑕疵對(duì)焊縫拉剪變化特征的影響，可以發(fā)現(xiàn)，r類瑕疵對(duì)焊縫拉剪強(qiáng)度降低變化影響較大.

3)構(gòu)件焊縫拉剪破壞狀態(tài)測試

c類瑕疵和r類瑕疵的H型構(gòu)件拉剪破壞形態(tài)和跨中撓度實(shí)測值分別如表11和12所示.

圖6 r類瑕疵焊縫R隨ε變化特征Fig.6 Analysis diagram of class r flaw tensile-shear strength

表10 r類瑕疵焊縫拉剪復(fù)合強(qiáng)度變化特征Tab.10 Characteristics of class r flaw of weld tensile-shear strength

表11 c類瑕疵焊縫拉剪破壞時(shí)構(gòu)件撓度值Tab.11 Mid-span deflection of the measured values of H component with broken tensile-shear (welding class c flaw)

表12 r類瑕疵焊縫拉剪破壞時(shí)構(gòu)件撓度值Tab.12 Mid-span deflection of the measured values of H component with broken tensile shear (class r flaw)

通過表11、12中H型構(gòu)件焊縫拉剪復(fù)合力作用下破壞狀態(tài)分析：即使焊縫中存在一定量的瑕疵，但焊縫的拉剪強(qiáng)度仍能夠達(dá)到規(guī)范允許的最低(三級(jí)設(shè)計(jì)值)要求時(shí)，最終H型構(gòu)件焊縫破壞，但構(gòu)件跨中撓度實(shí)測值卻大于《建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003撓度容許值[υT][15]，這說明，構(gòu)件雖然下翼緣板焊縫破壞，但構(gòu)件整體的破壞形式符合結(jié)構(gòu)性能檢測要求(塑性變形)；但如果瑕疵導(dǎo)致焊縫拉剪強(qiáng)度低于規(guī)范允許最低值(三級(jí)設(shè)計(jì)值)，構(gòu)件幾乎無撓度產(chǎn)生而發(fā)生焊縫脆性破壞.

3 結(jié)論

(1)受剪力作用焊縫

只要焊縫存在焊接瑕疵，則剪切強(qiáng)度低于母材剪切強(qiáng)度.

(2)H型受彎構(gòu)件下翼緣板拉剪焊縫

c類瑕疵特征值小于0.150 ，拉剪強(qiáng)度變化特征接近于不變的水平直線，c類瑕疵特征值在0.150～0.201，及大于0.453，焊縫的拉剪強(qiáng)度隨瑕疵特征值增加而降低幅值較大，c類瑕疵特征值在0.201～0.453，焊縫的拉剪強(qiáng)度隨瑕疵特征值增加而降低幅值較小.

焊縫存在r類瑕疵，極小的瑕疵特征值(例如0.013)，也會(huì)導(dǎo)致焊縫在拉剪荷載下破壞.

r類瑕疵特征值大于0.005，焊縫的拉剪強(qiáng)度對(duì)瑕疵特征值變化敏感，且隨瑕疵特征值增大而迅速下降.

相同的r類和c類瑕疵特征值的條件下，r類瑕疵對(duì)焊縫拉剪強(qiáng)度降低的影響較大.

(3)H型構(gòu)件焊縫拉剪破壞狀態(tài)

H構(gòu)件焊縫拉剪復(fù)合力作用下：焊縫存在的c、r類瑕疵特征值不足以改變拉剪強(qiáng)度最低設(shè)計(jì)值要求(三級(jí))，雖然焊縫拉剪破壞，但是H構(gòu)件整體破壞仍有一定的延性.

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