舒贛平 陳 堯 張 敏 袁雪芬 蔣 露

(1東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)(2啟迪設(shè)計集團股份有限公司, 蘇州 215021)

焊接π形截面殘余應(yīng)力試驗及分布模型

舒贛平1陳 堯1張 敏2袁雪芬2蔣 露2

(1東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)(2啟迪設(shè)計集團股份有限公司, 蘇州 215021)

為研究焰切邊焊接π形截面鋼構(gòu)件殘余應(yīng)力分布形式及大小,采用分割法對5個不同尺寸的Q345B π形截面構(gòu)件進(jìn)行試驗研究. 通過測得的截面各板件殘余應(yīng)力,分析了板件寬厚比對殘余應(yīng)力分布的影響及各板件殘余應(yīng)力的自平衡性. 研究結(jié)果表明:π形截面構(gòu)件翼緣、腹板殘余壓應(yīng)力與板件寬厚比有直接關(guān)系;焊縫附近殘余拉應(yīng)力與板件厚度有關(guān),與板件寬厚比相關(guān)性不明顯;π形截面3塊板件的殘余應(yīng)力分別滿足自平衡性. 提出了適用于不同尺寸的π形截面構(gòu)件殘余應(yīng)力分布模型及計算公式,可為π形截面構(gòu)件的進(jìn)一步研究與應(yīng)用提供參考依據(jù).

π形截面;殘余應(yīng)力;自平衡性;分布模型

π形截面是一種新型的鋼構(gòu)件截面形式,可以看作是2個并排的T形截面,是用于屋架弦桿理想的截面形式.π形截面?zhèn)认騽偠却?，抗壓、抗扭能力?彌補了T形截面平面外剛度的不足,同時又保留了其在工程中連接方便、節(jié)省鋼材的優(yōu)點.但我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017—2003)[1]、美國規(guī)范ANSI/AISC 360-10[2]及歐洲規(guī)范Eurocode 3[3]等相關(guān)規(guī)范都沒有針對π形截面穩(wěn)定承載力性能方面的具體規(guī)定,且很少有學(xué)者對π形截面構(gòu)件進(jìn)行研究,因此限制了π形構(gòu)件在工程上的推廣及應(yīng)用.鋼構(gòu)件中殘余應(yīng)力的數(shù)值大小和分布形式對鋼構(gòu)件穩(wěn)定承載力和疲勞性能有很大影響.構(gòu)件的殘余應(yīng)力包括縱向殘余應(yīng)力及橫向殘余應(yīng)力,對于小于40 mm厚的板件以縱向殘余應(yīng)力為主.目前,國內(nèi)外針對鋼構(gòu)件截面殘余應(yīng)力的分布形式及大小開展了大量的試驗研究[4-12].試驗中采用的板件鋼材等級為235～960 MPa;截面形式有I形、H形、L形、T形、箱形和十字形等;板件制作工藝包括熱軋、焊接、冷成型等.試驗測量了不同截面形式的殘余應(yīng)力,歸納總結(jié)了不同截面殘余應(yīng)力分布統(tǒng)一模型及計算公式.但針對π形截面殘余應(yīng)力及分布形式,還沒有相關(guān)文獻(xiàn)資料.因此,本文采用分割法對5個不同尺寸焊接π形截面鋼構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布形式進(jìn)行試驗研究,并提出殘余應(yīng)力分布模型及相應(yīng)計算公式,可為π形截面構(gòu)件的設(shè)計應(yīng)用提供參考依據(jù).

1 試驗

1.1 試件設(shè)計及加工

采用常用Q345B鋼焊接制成5個π形截面試件,采用火焰切邊方式下料加工,雙面角焊縫連接,焊角尺寸hf為6 mm,截面示意圖見圖1,試件編號及截面尺寸實測值見表1.邊翼緣板寬厚比b1/tf為5.3～15.0,中翼緣板寬厚比b0/tf為5.3～33.0,腹板高厚比h0/tw為10～20,均符合規(guī)范[1]要求.試件Rπ-1,Rπ-2及Rπ-5腹板寬厚比相同,用以研究翼緣板件尺寸對腹板殘余應(yīng)力分布的影響;試件Rπ-3與Rπ-4翼緣寬厚比相同,但腹板高厚比不同,用以研究腹板尺寸對翼緣殘余應(yīng)力分布的影響.

圖1 π形截面示意圖

試件編號H/mmB1/mmB2/mmtw/mmtf/mmb1/tfh0/twb0/tfRπ-1129.6206.971.18.018.008.015.27.9Rπ-2132.3207.768.87.9111.815.515.25.2Rπ-389.7417.2166.37.937.9115.410.320.0Rπ-4170.3417.2156.37.967.9915.820.418.6Rπ-5129.3448.0268.97.937.9710.815.332.8

對8,12 mm厚Q345B板材分別取3個標(biāo)準(zhǔn)材性試件進(jìn)行拉伸試驗.試件的位置及制備滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》(GB/T 2975—1988)[13];試件的尺寸和試驗方法參照《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》(GB/T 228.1—2010)[14].每組板厚分別取3個標(biāo)準(zhǔn)試件拉伸試驗結(jié)果的平均值,得到2種不同板厚鋼材的基本力學(xué)參數(shù),結(jié)果見表2.表中,fy為鋼材屈服強度;fu為鋼材抗拉強度;E為彈性模量;δ為斷后伸長率.

表2 材性試驗結(jié)果

1.2 試驗內(nèi)容與方法

對試件采用電火花線切割加工.為減少試件端部效應(yīng)和焊接過程中不均勻熱輸入的影響,試件的長度不小于截面寬度B1的3倍[2],在中間分割段兩端各預(yù)留長度1.5B1,如圖2(a)所示.YB-25手持應(yīng)變儀的標(biāo)準(zhǔn)距離為250 mm,試件中間分割段的總長度為270 mm.由于截面尺寸的限制,試驗僅測量了截面板件外側(cè)殘余應(yīng)力.通過手持應(yīng)變儀測量條帶分割后釋放的應(yīng)變,將截面釋放的應(yīng)變乘以鋼材的彈性模量得到試件的殘余應(yīng)力.分割后的條帶見圖2(b),試件切割分段后的余料見圖2(c).

(a) 分割段

(b)分割條帶

(c) 分割余料

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 殘余應(yīng)力試驗結(jié)果

5個Q345B焊接π形截面試件的殘余應(yīng)力測量結(jié)果見圖3,其中,x軸為翼緣點位置,自翼緣邊緣起,長度為B1;y軸為腹板點位置,自翼緣與腹板焊縫處起,長度為h0;σ為殘余應(yīng)力，受拉為正值,受壓為負(fù)值;Rπ-XF,Rπ-XWL及Rπ-XWR分別表示翼緣、左腹板及右腹板,X為試件編號;圖中建議值為本文殘余應(yīng)力建議值.由圖3可見,焰切邊焊接π形截面殘余應(yīng)力分布有如下特點：

1) 2條焊縫附近區(qū)域為殘余拉應(yīng)力,外伸翼緣板、中翼緣板及腹板中部為壓應(yīng)力;當(dāng)外伸翼緣板寬厚比較小時,翼緣板邊緣產(chǎn)生壓應(yīng)力;當(dāng)外伸翼緣板寬厚比較大時，翼緣板邊緣產(chǎn)生拉應(yīng)力.

2) 翼緣與腹板焊縫附近殘余拉應(yīng)力峰值均明顯低于鋼材屈服強度;板件厚度增大時,殘余拉應(yīng)力峰值減小;腹板焊縫處及外邊緣處為殘余拉應(yīng)力,且數(shù)值接近.

3) 翼緣與腹板殘余壓應(yīng)力數(shù)值變化規(guī)律相同,均與板件寬厚比有直接關(guān)系,板件寬厚比增大時,殘余壓應(yīng)力減小.

5個π形截面殘余應(yīng)力特征值見表3.π形截面每個構(gòu)件的翼緣包含2個焊縫處殘余拉應(yīng)力σft1(σft11,σft12)、2個翼緣板邊緣殘余拉應(yīng)力σft2(σft21,σft22)和3個殘余壓應(yīng)力σfc(σfc21,σfc1,σfc22);每塊腹板包含2個殘余拉應(yīng)力σwt(σwt1,σwt2)和1個腹板殘余壓應(yīng)力σwc.表3中，正值為殘余拉應(yīng)力,負(fù)值為殘余壓應(yīng)力.

(a) Rπ-1翼緣殘余應(yīng)力

(b) Rπ-1腹板殘余應(yīng)力

(c) Rπ-2翼緣殘余應(yīng)力

(d) Rπ-2腹板殘余應(yīng)力

(e) Rπ-3翼緣殘余應(yīng)力

(f) Rπ-3腹板殘余應(yīng)力

(g) Rπ-4翼緣殘余應(yīng)力

(h) Rπ-4腹板殘余應(yīng)力

(i) Rπ-5翼緣殘余應(yīng)力

(j) Rπ-5腹板殘余應(yīng)力

試件編號翼緣板應(yīng)力值σft11σft12σft21σft22σfc21σfc1σfc22左腹板σwt1σwcσwt2右腹板σwt1σwcσwt2Rπ-1207.7234.6-127.8-137.1-172.6-186.9-177.0237.1-122.4218.2239.2-128.1241.2Rπ-2161.4150.533.3-32.4-196.4-153.4-215.3249.5-112.3210.2238.7-113.9217.2Rπ-3258.9308.2102.3110.0-107.6-100.6-121.4178.9-126.469.1177.7-178.0104.5Rπ-4312.5323.369.3113.7-101.3-124.1-99.2222.5-115.7236.6226.8-104.7204.8Rπ-5328.9332.111.0-37.9-149.3-105.1-130.6252.5-111.3273.9250.3-105.0280.3

2.2 殘余應(yīng)力分布分析

2.2.1 板件寬厚比

圖4為π形截面殘余應(yīng)力系數(shù)σ/fy與外伸板翼緣寬厚比b1/tf、中間翼緣板寬厚比b0/tf、腹板高厚比h0/tw的關(guān)系.從圖4(a)中可以看出,外伸翼緣板件殘余壓應(yīng)力系數(shù)隨著板件寬厚比的增大明顯減小;中間翼緣板件寬厚比增大,殘余壓應(yīng)力絕對值減小;腹板殘余壓應(yīng)力與翼緣的變化趨勢相同且數(shù)值相當(dāng);當(dāng)板件寬厚比增大到一定程度(b1/tf>15)時,殘余壓應(yīng)力絕對值降低的趨勢不再明顯.構(gòu)件焊縫附近殘余拉應(yīng)力系數(shù)與b1/tf,b0/tf,h0/tw的相關(guān)性表現(xiàn)不明顯(見圖4(b)).

(a) 殘余壓應(yīng)力系數(shù)

(b) 殘余拉應(yīng)力系數(shù)

2.2.2 截面殘余應(yīng)力的自平衡性

π形截面各板件的殘余應(yīng)力獨立自平衡,翼緣和腹板的殘余應(yīng)力σf,σw應(yīng)分別滿足

(1)

(2)

式中,Af和Aw分別為翼緣和腹板板件截面面積;A為板件截面面積.

每塊板件不平衡殘余應(yīng)力σerr的計算式為

(3)

式中,n為分割條帶數(shù)量;σri為條帶對應(yīng)的殘余應(yīng)力(拉應(yīng)力取正值、壓應(yīng)力取負(fù)值);Ai為對應(yīng)條帶的橫截面面積.計算結(jié)果如圖5所示.

圖5 π形截面不平衡殘余應(yīng)力

由圖5可以看出,焊接π形截面構(gòu)件的不平衡殘余應(yīng)力較小，均小于屈服強度的10%.全截面的不平衡應(yīng)力系數(shù)為各板件不平衡殘余應(yīng)力之和∑σerr與屈服強度fy比值，∑σerr/fy的分布范圍為3.8%～8.6%,因此可以認(rèn)為焊接π形截面全截面殘余應(yīng)力滿足獨立自平衡性.

為驗證殘余應(yīng)力的獨立自平衡性,試驗設(shè)計了對比試件組Rπ-1,Rπ-2及Rπ-5,腹板高厚比均為15,腹板厚度均為8 mm,但翼緣寬厚比及厚度不同.對比3個試件腹板殘余應(yīng)力分布(見圖6(a)),及殘余拉應(yīng)力及壓應(yīng)力(見圖6(b)),結(jié)果表明:腹板高寬比和厚度相同時,腹板的殘余應(yīng)力分布形狀及變化規(guī)律基本一致;RF1-1最大平均殘余拉應(yīng)力σwt為233.9 MPa,Rπ-2為228.9 MPa,Rπ-5為264.3 MPa,殘余拉應(yīng)力σwt相差最大為12.6%;3個試件最大殘余壓應(yīng)力σwc相差最大為13.7%,故可以認(rèn)為翼緣尺寸對腹板殘余應(yīng)力大小沒有影響.

Rπ-3與RFπ-4試件翼緣寬厚比相同,翼緣殘余應(yīng)力分布形狀相同,數(shù)值相差不大,腹板對翼緣殘余應(yīng)力分布影響很小,也可以驗證π形截面各板件滿足獨立自平衡.

(a) 腹板殘余應(yīng)力分布對比

(b) 腹板殘余應(yīng)力數(shù)值對比

3 殘余應(yīng)力分布模型

焰切邊焊接π形截面與工字鋼形截面的殘余應(yīng)力分布模型類似,但在焊縫附近最大殘余拉應(yīng)力數(shù)值遠(yuǎn)小于鋼材屈服強度fy.參考文獻(xiàn)[15-16]對普通強度鋼材焰切邊焊接工字形截面的殘余應(yīng)力分布模型,以及結(jié)合π形截面殘余應(yīng)力試驗結(jié)果,采用多折線階梯模型作為π形截面殘余應(yīng)力統(tǒng)一分布模型[17],如圖7所示.圖中,σfc2為邊翼緣板中部殘余壓應(yīng)力;a～f,u～w表示殘余應(yīng)力各分布區(qū)范圍.

圖7 焰切邊殘余應(yīng)力分布模型

3.1 殘余壓應(yīng)力

翼緣與腹板處殘余壓應(yīng)力σfc,σwc隨板件寬厚比的增大而減小,殘余壓應(yīng)力隨板件寬厚比的變化規(guī)律見圖8.從圖中可以看出,翼緣與腹板殘余壓應(yīng)力隨板件寬厚比的變化趨勢相同,為方便殘余應(yīng)力的計算,可采用如下統(tǒng)一擬合公式:

(4)

式中,β為板件寬厚比,對于外伸翼緣板β=b1/tf,中翼緣板β=b0/tf,腹板β=h0/tw.

圖8 殘余壓應(yīng)力與板件寬厚比關(guān)系

3.2 殘余拉應(yīng)力

由圖9可以看出,π形截面焊縫附近殘余拉應(yīng)力隨板件寬厚比的變化規(guī)律不明顯,殘余拉應(yīng)力與板件寬厚比相關(guān)性需作進(jìn)一步研究.對于翼緣焊縫處殘余拉應(yīng)力峰值σft1建議取0.75fy,分布在tw+2hf范圍內(nèi);腹板焊縫處殘余拉應(yīng)力峰值σwt建議取0.65fy,分布在hf范圍內(nèi),建議值包絡(luò)了試驗數(shù)值.此外,考慮到焰切邊翼緣板端部殘余拉應(yīng)力的存在對構(gòu)件穩(wěn)定承載力有提高作用,以及殘余應(yīng)力σft2對繞弱軸失穩(wěn)的承載力具有提高作用,其殘余應(yīng)力的正負(fù)值與外伸翼緣板寬厚比b1/tf有關(guān),σwt統(tǒng)一取0.1fy,分布范圍取b1/10.

圖9 焊縫處殘余拉應(yīng)力與板件寬厚比關(guān)系

3.3 建議簡化公式驗證

對于π形截面焰切邊殘余應(yīng)力分布模型中殘余應(yīng)力可通過式(4)確定;殘余應(yīng)力分布范圍由式(1)、(2)計算得到;過渡區(qū)范圍b可取b1/10,d及v可分別由式(1)、(2)求得.殘余應(yīng)力各項取值及分布范圍見表4.

表4 π形截面殘余應(yīng)力取值

π形截面殘余應(yīng)力分布模型建議值與實測殘余應(yīng)力的對比見圖3中的建議值.其中,殘余拉應(yīng)力峰值σft1,σwt及σft2分別取試驗平均值0.75fy,0.65fy,0.1fy;殘余壓應(yīng)力σfc,σwc采用式(4)計算.從圖3可以看出,多折線分布模型與實測數(shù)值基本吻合,可以較準(zhǔn)確地描述π形截面構(gòu)件殘余應(yīng)力分布形式,可為后續(xù)π形截面構(gòu)件的穩(wěn)定承載力研究及相關(guān)有限元分析提供依據(jù).

4 結(jié)論

1) 焰切邊π形焊接截面構(gòu)件板件中部殘余壓應(yīng)力數(shù)值大小與板件寬厚比有直接關(guān)系,隨著板件寬厚比的增大而減小,π形截面各板件之間的殘余應(yīng)力能夠?qū)崿F(xiàn)獨立自平衡性.

2) 焰切邊π形焊接截面構(gòu)件翼緣與腹板焊縫附近殘余拉應(yīng)力數(shù)值隨著板厚的增大而減小,殘余拉應(yīng)力數(shù)值遠(yuǎn)小于板材屈服強度,與截面尺寸的相關(guān)性需作進(jìn)一步試驗研究.

3) π形截面殘余應(yīng)力分布模型可采用多折線階梯模型表示,建立了求解π形截面殘余應(yīng)力的分布模型及計算公式.

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Experimental study on residual stress and distribution model in welded π-shaped sections

Shu Ganping1Chen Yao1Zhang Min2Yuan Xuefen2Jiang Lu2

(1School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)(2Tus-Design Group Co., Ltd., Suzhou 215021, China)

The residual stresses of 5 specimens were measured by the sectioning method to investigate the residual stress distribution in Q345B steel welded flame-cut π-shaped sections. The effects of the plate width-thickness ratio and interaction among component plates were clarified by measuring the residual stress values of each plate. The results indicate that the compressive residual stress in flange and web correlates with the plate width-thickness ratio. Moreover, the residual stress near the welding is related to the plate thickness but not obvious with the plate width-thickness ratio. The residual stress self-equilibrating within each component plate is satisfied. Finally, a residual stress distribution model and a calculation formulate for predicting the residual stress within welded π-shaped sections with different dimensions are proposed, it provides a valuable reference for further study and application of π-shaped section steel structures.

π-shaped section; residual stress; self-equilibrating; distribution model

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.03.024

2016-10-07. 作者簡介: 舒贛平(1964—),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,shuganping@seu.edu.cn.

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助和江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目(KYLX16_0245).

舒贛平，陳堯,張敏,等.焊接π形截面殘余應(yīng)力試驗及分布模型[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,47(3):559-564.

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