Q460高強(qiáng)度鋼材焊接T形截面殘余應(yīng)力影響參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究

王 田， 熊曉莉， 馬 萌

(河南工業(yè)大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 河南 鄭州 450001)

近幾年，隨著冶煉技術(shù)的不斷提高，高強(qiáng)度鋼材憑借其強(qiáng)度更高、整體穩(wěn)定性能更好、結(jié)構(gòu)重量更輕巧、制作成本更低等優(yōu)勢在高層(超高層)建筑、大跨度結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用日益廣泛。目前，高強(qiáng)度鋼材已被廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)工程中。鋼材在焊接過程中，由于焊件不均勻受熱，會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力影響鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用壽命，對鋼材的強(qiáng)度、剛度、焊件穩(wěn)定性、抗疲勞性能等因素產(chǎn)生負(fù)面影響。

目前國內(nèi)外學(xué)者對不同截面鋼材焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律進(jìn)行了大量的研究。童樂為等研究了Q460高強(qiáng)度焊接H型鋼的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，提出了Q460鋼板焊接H型鋼的殘余應(yīng)力分布模型[1]；班慧勇等研究了板件寬厚比、板件厚度、焊縫類型等因素對Q460高強(qiáng)度鋼材焊接工字形截面殘余應(yīng)力分布的影響，提出了Q460高強(qiáng)度鋼材焊接工字形截面的殘余應(yīng)力分布模型和計(jì)算公式[2]；馬學(xué)周研究了Q460高強(qiáng)鋼板-板、管-管、管-板3種對接多層多道焊的殘余應(yīng)力分布規(guī)律[3]；段濤研究了Q460高強(qiáng)鋼中厚板 及厚板焊接箱形截面的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，提出了兩種焊接箱形截面殘余應(yīng)力分布模型[4]；LEE等研究了預(yù)熱對Q690高強(qiáng)度鋼材焊接箱形截面T形接頭焊趾附近殘余應(yīng)力分布的影響[5]。CAO等研究了板件寬厚比對Q800高強(qiáng)度鋼材焊接T形截面殘余應(yīng)力分布的影響，提出了兩種殘余應(yīng)力分布模型和計(jì)算公式[6]。

綜上所述，現(xiàn)有的對于Q460高強(qiáng)度鋼材焊接截面殘余應(yīng)力的研究主要集中在H型鋼、工字形、板-板對接、管-管對接、管-板對接、箱形等截面；對于焊接T形截面殘余應(yīng)力的研究主要集中在Q690、Q800等高強(qiáng)度的鋼材，缺乏對Q460高強(qiáng)度鋼材焊接T形截面殘余應(yīng)力分布的研究。本文對8個(gè)不同試件的Q460高強(qiáng)度鋼材焊接T形截面的殘余應(yīng)力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析板件的寬厚比、板件厚度以及翼緣和腹板的相關(guān)性對Q460高強(qiáng)度鋼材焊接T形截面殘余應(yīng)力分布的影響。

1 試件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用分割法對8 mm和12 mm兩種厚度共8個(gè)Q460高強(qiáng)度鋼材焊接T形截面試件進(jìn)行殘余應(yīng)力測量，試件的截面尺寸如表1所示，截面形狀如圖1所示。表1和圖1中H表示腹板高度；B表示翼緣寬度；t表示翼緣和腹板的厚度，二者相等；H(B)/t表示截面的高(寬)厚比。通過單向拉伸實(shí)驗(yàn)得到的鋼材的力學(xué)性能如表2所示。表2中：E表示彈性模量；fy表示屈服強(qiáng)度；fu表示抗拉強(qiáng)度；fy/fu表示屈強(qiáng)比[7]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)共測得8個(gè)Q460高強(qiáng)度鋼材焊接T形截面殘余應(yīng)力的數(shù)值。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Q460高強(qiáng)度鋼材焊接T形截面殘余應(yīng)力的分布形狀如圖2所示。

表1 試件截面尺寸

表2 鋼材材性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 試件截面形狀

圖2 Q460高強(qiáng)度鋼材焊接T形截面殘余應(yīng)力分布形狀

圖2中：σfrc1、σfrc2分別為翼緣左、右外伸部分中間區(qū)域殘余壓應(yīng)力的平均值；σfrt1、σfrt2分別為翼緣左、右焰切邊區(qū)域的最大殘余拉應(yīng)力；σfrt為翼緣中部焊縫區(qū)域最大殘余拉應(yīng)力；σwrc為腹板中部區(qū)域殘余壓應(yīng)力的平均值；σwrt1為腹板焊縫區(qū)域最大殘余拉應(yīng)力；σwrt2為腹板焰切邊區(qū)域最大殘余拉應(yīng)力；a,b,…,j表示殘余應(yīng)力數(shù)值的分布范圍。各個(gè)試件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述8個(gè)試件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析板件寬厚比、板件厚度以及翼緣和腹板的相關(guān)性對Q460高強(qiáng)度鋼材焊接T形截面殘余應(yīng)力分布的影響。

3.1 板件寬厚比的影響

8 mm和12 mm厚的試件翼緣和腹板的殘余壓應(yīng)力σfrc和σw rc隨板件寬厚比的變化情況如圖3所示。

表3 Q460高強(qiáng)度鋼材焊接T形截面殘余應(yīng)力匯總表

(a) 8 mm厚試件

(b) 12 mm厚試件圖3 殘余壓應(yīng)力隨板件寬厚比的變化情況

由圖3可以看出，板件厚度相同時(shí)，翼緣和腹板的殘余壓應(yīng)力隨板件寬厚比的增大而減小，腹板的殘余壓應(yīng)力降低趨勢比翼緣小。

8 mm和12 mm厚的試件的翼緣中部焊縫區(qū)域最大殘余拉應(yīng)力σfrt、翼緣左、右焰切邊區(qū)域最大殘余拉應(yīng)力σfrt1、σfrt2、腹板焊縫區(qū)域最大殘余拉應(yīng)力σwrt1和腹板焰切邊區(qū)域最大殘余拉應(yīng)力σwrt2隨板件寬厚比的變化情況如圖4所示。

(a) 8 mm厚試件

(b) 12 mm厚試件圖4 最大殘余拉應(yīng)力隨板件寬厚比的變化情況

由圖4可以看出，板件厚度相同時(shí)，寬厚比增大，試件的最大殘余拉應(yīng)力無明顯變化，即二者無直接關(guān)系。

3.2 板件厚度的影響

在研究板件厚度的影響時(shí)，選取460RB-100×8和460RB-150×12這兩個(gè)板件寬厚比相同、板厚度不同的試件進(jìn)行對比分析。由表3可知，對于殘余壓應(yīng)力，試件460RB-150×12翼緣左、右中間區(qū)域的殘余壓應(yīng)力平均值σfrc1、σfrc2分別比試件460RB-100×8的殘余壓應(yīng)力平均值小81.28%和55.49%；試件460RB-150×12 的腹板的殘余壓應(yīng)力平均值σwrc比試件460RB-100×8的殘余壓應(yīng)力平均值小42.94%。在焊接過程中，殘余壓應(yīng)力的分布范圍隨板件厚度的增大而增大，其壓應(yīng)力值隨板件厚度的增大而減小。對于殘余拉應(yīng)力，試件460RB-150×12翼緣中部的最大殘余拉應(yīng)力σfrt比試件460RB-100×8的最大殘余拉應(yīng)力大11.35%；而腹板焊縫區(qū)域的最大殘余拉應(yīng)力σwrt1和腹板焰切邊區(qū)域的最大殘余拉應(yīng)力σwrt2分別比試件460RB-100×8的最大殘余拉應(yīng)力小20.72%和3.50%?？梢钥闯觯寮穸葘460高強(qiáng)度鋼材焊接T形截面的翼緣中部、腹板焊縫區(qū)域和腹板焰切邊區(qū)域最大殘余拉應(yīng)力的影響不大。

3.3 翼緣和腹板相關(guān)性的影響

為了研究翼緣和腹板的殘余應(yīng)力分布的相關(guān)性，采用式(1)計(jì)算試件的不平衡應(yīng)力σerr：

(1)

其中：n為分割條帶數(shù)量；σri為條帶的殘余應(yīng)力數(shù)值；Ai為條帶的橫截面面積；A為試件的截面面積。

由自平衡準(zhǔn)則可知，殘余應(yīng)力自相平衡時(shí)整個(gè)截面的不平衡應(yīng)力應(yīng)為零。由于測量時(shí)存在人為測量誤差以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境因素的影響，計(jì)算的結(jié)果不一定為零，而計(jì)算結(jié)果越接近零，表示殘余應(yīng)力越接近自平衡狀態(tài)。

由文獻(xiàn)[7]可知，實(shí)驗(yàn)測量過程的不確定性因素導(dǎo)致460RB-100×8、460RB-120×8、460RB-150×8、460RB-200×12這4個(gè)試件的翼緣中部焊縫附近的殘余應(yīng)力數(shù)值缺失，所以選取460RB-200×8、460RB-100×12、460RB-120×12、460RB-150×12共4個(gè)構(gòu)件進(jìn)行翼緣和腹板的相關(guān)性分析。這4個(gè)試件的翼緣和腹板的不平衡應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 翼緣和腹板的不平衡應(yīng)力

由圖5可以看出，4個(gè)構(gòu)件的不平衡應(yīng)力非常小，8 mm厚的試件每個(gè)板件的不平衡應(yīng)力小于鋼材屈服強(qiáng)度的4%；12 mm厚的試件每個(gè)板件的不平衡應(yīng)力小于鋼材屈服強(qiáng)度的8%。雖然翼緣和腹板的殘余應(yīng)力沒有嚴(yán)格滿足不平衡應(yīng)力為零的條件(可能與實(shí)驗(yàn)過程中的環(huán)境因素和人為測量誤差有關(guān))，但是從工程應(yīng)用來說，可以認(rèn)為Q460高強(qiáng)度鋼材焊接T形截面翼緣和腹板的殘余應(yīng)力自相平衡，二者相互之間沒有影響。

4 結(jié)語

本文對Q460高強(qiáng)度鋼材焊接T形截面8個(gè)試件的殘余應(yīng)力測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，研究板件寬厚比、板件厚度及翼緣和腹板的相關(guān)性對殘余應(yīng)力分布的影響。所得結(jié)論如下：

(1) 板件厚度相同時(shí)，翼緣和腹板的殘余壓應(yīng)力隨板件寬厚比的增大而減小，腹板的殘余壓應(yīng)力降低趨勢比翼緣小。殘余拉應(yīng)力的變化與板件寬厚比無直接關(guān)系。

(2) 板件寬厚比相同時(shí)，殘余壓應(yīng)力的分布范圍隨板件厚度的增大而增大，其壓應(yīng)力值隨板件厚度的增大而減小。殘余拉應(yīng)力的變化與板件厚度無直接關(guān)系。

(3) Q460高強(qiáng)度鋼材焊接T形截面翼緣和腹板的殘余應(yīng)力自相平衡，二者相互之間沒有影響，可忽略。