王 田， 熊曉莉， 馬 萌

(河南工業(yè)大學 土木建筑學院， 河南 鄭州 450001)

近幾年，隨著冶煉技術的不斷提高，高強度鋼材憑借其強度更高、整體穩(wěn)定性能更好、結構重量更輕巧、制作成本更低等優(yōu)勢在高層(超高層)建筑、大跨度結構中的應用日益廣泛。目前，高強度鋼材已被廣泛應用于鋼結構工程中。鋼材在焊接過程中，由于焊件不均勻受熱，會產生焊接殘余應力。焊接殘余應力影響鋼結構構件的使用壽命，對鋼材的強度、剛度、焊件穩(wěn)定性、抗疲勞性能等因素產生負面影響。

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

綜上所述，現有的對于Q460高強度鋼材焊接截面殘余應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形截面殘余應力的研究主要集中在Q690、Q800等高強度的鋼材，缺乏對Q460高強度鋼材焊接T形截面殘余應力分布的研究。本文對8個不同試件的Q460高強度鋼材焊接T形截面的殘余應力進行實驗研究，分析板件的寬厚比、板件厚度以及翼緣和腹板的相關性對Q460高強度鋼材焊接T形截面殘余應力分布的影響。

1 試件設計

實驗采用分割法對8 mm和12 mm兩種厚度共8個Q460高強度鋼材焊接T形截面試件進行殘余應力測量，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。通過單向拉伸實驗得到的鋼材的力學性能如表2所示。表2中：E表示彈性模量；fy表示屈服強度；fu表示抗拉強度；fy/fu表示屈強比[7]。

2 實驗結果

實驗共測得8個Q460高強度鋼材焊接T形截面殘余應力的數值。根據前期實驗結果，Q460高強度鋼材焊接T形截面殘余應力的分布形狀如圖2所示。

表1 試件截面尺寸

表2 鋼材材性實驗結果

圖1 試件截面形狀

圖2 Q460高強度鋼材焊接T形截面殘余應力分布形狀

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)域的最大殘余拉應力；σfrt為翼緣中部焊縫區(qū)域最大殘余拉應力；σwrc為腹板中部區(qū)域殘余壓應力的平均值；σwrt1為腹板焊縫區(qū)域最大殘余拉應力；σwrt2為腹板焰切邊區(qū)域最大殘余拉應力；a,b,…,j表示殘余應力數值的分布范圍。各個試件的實驗結果如表3所示。

3 實驗結果分析

根據上述8個試件的實驗數據分析板件寬厚比、板件厚度以及翼緣和腹板的相關性對Q460高強度鋼材焊接T形截面殘余應力分布的影響。

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高強度鋼材焊接T形截面殘余應力匯總表

(a) 8 mm厚試件

(b) 12 mm厚試件圖3 殘余壓應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，翼緣和腹板的殘余壓應力隨板件寬厚比的增大而減小，腹板的殘余壓應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)域最大殘余拉應力σfrt、翼緣左、右焰切邊區(qū)域最大殘余拉應力σfrt1、σfrt2、腹板焊縫區(qū)域最大殘余拉應力σwrt1和腹板焰切邊區(qū)域最大殘余拉應力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，寬厚比增大，試件的最大殘余拉應力無明顯變化，即二者無直接關系。

3.2 板件厚度的影響

在研究板件厚度的影響時，選取460RB-100×8和460RB-150×12這兩個板件寬厚比相同、板厚度不同的試件進行對比分析。由表3可知，對于殘余壓應力，試件460RB-150×12翼緣左、右中間區(qū)域的殘余壓應力平均值σfrc1、σfrc2分別比試件460RB-100×8的殘余壓應力平均值小81.28%和55.49%；試件460RB-150×12 的腹板的殘余壓應力平均值σwrc比試件460RB-100×8的殘余壓應力平均值小42.94%。在焊接過程中，殘余壓應力的分布范圍隨板件厚度的增大而增大，其壓應力值隨板件厚度的增大而減小。對于殘余拉應力，試件460RB-150×12翼緣中部的最大殘余拉應力σfrt比試件460RB-100×8的最大殘余拉應力大11.35%；而腹板焊縫區(qū)域的最大殘余拉應力σwrt1和腹板焰切邊區(qū)域的最大殘余拉應力σwrt2分別比試件460RB-100×8的最大殘余拉應力小20.72%和3.50%。可以看出，板件厚度對Q460高強度鋼材焊接T形截面的翼緣中部、腹板焊縫區(qū)域和腹板焰切邊區(qū)域最大殘余拉應力的影響不大。

3.3 翼緣和腹板相關性的影響

為了研究翼緣和腹板的殘余應力分布的相關性，采用式(1)計算試件的不平衡應力σerr：

(1)

其中：n為分割條帶數量；σri為條帶的殘余應力數值；Ai為條帶的橫截面面積；A為試件的截面面積。

由自平衡準則可知，殘余應力自相平衡時整個截面的不平衡應力應為零。由于測量時存在人為測量誤差以及實驗環(huán)境因素的影響，計算的結果不一定為零，而計算結果越接近零，表示殘余應力越接近自平衡狀態(tài)。

由文獻[7]可知，實驗測量過程的不確定性因素導致460RB-100×8、460RB-120×8、460RB-150×8、460RB-200×12這4個試件的翼緣中部焊縫附近的殘余應力數值缺失，所以選取460RB-200×8、460RB-100×12、460RB-120×12、460RB-150×12共4個構件進行翼緣和腹板的相關性分析。這4個試件的翼緣和腹板的不平衡應力計算結果如圖5所示。

圖5 翼緣和腹板的不平衡應力

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

4 結語

本文對Q460高強度鋼材焊接T形截面8個試件的殘余應力測量結果進行數據分析，研究板件寬厚比、板件厚度及翼緣和腹板的相關性對殘余應力分布的影響。所得結論如下：

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

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

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