鄭凱鋒,馮霄暘,何曉暉,衡俊霖,李 樂,王洪福

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,成都 610036;2.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 深圳 518060;3.深圳大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院,廣東 深圳 518060;4.代爾夫特理工大學(xué) 土木工程與地球科學(xué)學(xué)院,荷蘭 代爾夫特 2628 CN;5.中建五洲工程裝備有限公司,南京 210046)

正交異性鋼橋面是現(xiàn)代鋼橋的重要特征之一,它由頂板與加勁肋通過焊接形成的縱橫向剛度具有明顯差異的橋面系統(tǒng),已在公路與鐵路大跨度橋梁中廣泛應(yīng)用[1]。然而隨著鋼橋面服役時(shí)間增長,疲勞開裂現(xiàn)象普遍出現(xiàn),其中以頂板與U肋連接焊縫、橫肋與U肋連接焊縫、橫肋開孔處疲勞開裂現(xiàn)象尤為突出[2]。因此,如何降低鋼橋面疲勞開裂風(fēng)險(xiǎn)是鋼橋領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。

近年來,從鋼橋面局部構(gòu)造形狀與荷載作用效應(yīng)角度出發(fā),提出了各有特色的改進(jìn)型處理措施。局部構(gòu)造形狀優(yōu)化角度:1)頂板與U肋焊縫,厚邊U肋,U肋雙面焊,熱軋變截面U肋;2)橫肋與U肋焊縫,蝴蝶型開孔,U肋內(nèi)測加肋型,轉(zhuǎn)移應(yīng)力型,獨(dú)立開孔型。作用效應(yīng)角度:UHPC鋪裝等。這些處理措施雖然從幾何突變與荷載作用效應(yīng)角度上降低了車輛荷載所引起的疲勞應(yīng)力幅,但從焊接角度出發(fā)依然存在進(jìn)一步提高鋼橋面疲勞性能的潛力,即消除或降低殘余應(yīng)力所引起的疲勞裂紋萌生與加速擴(kuò)展。

正交異性鋼橋面是大量板件通過焊縫連接形成的鋼橋面系統(tǒng)。焊接過程中,金屬材料受到不均勻的加熱與冷卻,最終在其內(nèi)部形成了大小不等,分布不均的焊接殘余應(yīng)力,導(dǎo)致焊縫及其周邊熱影響區(qū)存在殘余拉應(yīng)力、外圍母材存在殘余壓應(yīng)力。此外,鋼橋面焊縫數(shù)量龐大,相應(yīng)的大規(guī)模焊接作業(yè)不可避免地引入可觀且繁雜的殘余應(yīng)力場?，F(xiàn)有理論和試驗(yàn)研究表明:焊接殘余應(yīng)力是正交異性鋼橋面連接焊縫疲勞開裂的重要因素之一[3]。

船舶與壓力容器領(lǐng)域?qū)附託堄鄳?yīng)力已有深入研究,其目前主流觀點(diǎn)認(rèn)為:焊接殘余應(yīng)力為自平衡應(yīng)力,在焊縫及周邊為殘余拉應(yīng)力,遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域?yàn)闅堄鄩簯?yīng)力;殘余應(yīng)力不僅會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形,其拉應(yīng)力成分還會(huì)加速疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展。文獻(xiàn)[4]與相關(guān)的試驗(yàn)[5]研究表明,焊接殘余應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生松弛現(xiàn)象,其程度由材料特性、局部幾何形態(tài)以及外荷載所決定;當(dāng)外荷載與局部殘余應(yīng)力總和超過材料的屈服強(qiáng)度,殘余應(yīng)力松弛通常在第一個(gè)加載周期內(nèi)結(jié)束。因此,在考慮焊縫局部應(yīng)力集中的情況下,荷載大小將決定殘余應(yīng)力松弛程度。然而,上述高應(yīng)力狀態(tài)在正交異性鋼橋面的實(shí)際運(yùn)營過程中較為罕見,車輛荷載所引起的應(yīng)力幅通常不超過30 MPa[6]。因此,在工程實(shí)踐中,可偏安全地忽略焊接殘余應(yīng)力松弛現(xiàn)象對鋼橋面的影響。卞如岡等[7]通過雙參數(shù)裂紋擴(kuò)展率公式定量計(jì)算分析殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響,結(jié)果表明:殘余應(yīng)力雖未改變裂紋擴(kuò)展趨勢,但顯著加快裂紋擴(kuò)展,進(jìn)而導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的顯著縮短。同時(shí),裂紋的不斷擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力發(fā)生重分布,進(jìn)而反過來影響裂紋擴(kuò)展。相關(guān)研究[8]表明:當(dāng)表面疲勞開裂后,殘余拉應(yīng)力最大值逐漸過度至裂紋前緣處,且應(yīng)力峰值不斷降低,對裂紋擴(kuò)展的影響逐漸降低,此時(shí)外荷載成為裂紋擴(kuò)展的主導(dǎo)因素。

綜上所述,通過采用焊后處理措施消除殘余應(yīng)力,有望顯著延緩鋼橋面焊縫疲勞裂紋萌生和開展。然而,退火處理鋼橋面的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)較缺乏,尚待開展較為深入的對比試驗(yàn)研究。本文首先回顧介紹正交異性鋼橋面焊接殘余應(yīng)力的分布,闡述縱橫向殘余應(yīng)力對鋼橋面疲勞裂紋擴(kuò)展的影響。其次,總結(jié)國內(nèi)外消除殘余應(yīng)力的方法。最后,提出針對鋼橋面的焊后退火處理措施,開展退火、未退火試件的殘余應(yīng)力測試與疲勞對比試驗(yàn),分析與探討焊后退火處理對鋼橋面疲勞性能的影響。

1 鋼橋面焊接殘余應(yīng)力的分布

焊接是鋼橋面制造不可或缺的加工工藝,在焊接過程中金屬材料受到不均勻加熱與冷卻,在其內(nèi)部最終形成大小不等,分布不均的焊接殘余應(yīng)力,如圖1所示。由于焊接過程的復(fù)雜性,所形成的焊接殘余應(yīng)力很難單獨(dú)從數(shù)值模擬出發(fā)進(jìn)行定量分析。因此,為準(zhǔn)確把握鋼橋面焊接殘余應(yīng)力的分布模式,本節(jié)將從試驗(yàn)角度對沿焊縫方向、垂直焊縫方向的殘余應(yīng)力分布模式進(jìn)行詳細(xì)梳理與總結(jié)。

圖1 焊接殘余應(yīng)力形成原理

鋼橋面頂板與U肋連接焊縫疲勞裂紋往往在頂板焊趾處萌生,隨著加載次數(shù)的增加裂紋沿板厚方向與順焊縫方向擴(kuò)展,因此頂板焊趾處殘余應(yīng)力分布模式對疲勞裂紋擴(kuò)展起至關(guān)重要的影響。

1.1 垂直焊縫方向殘余應(yīng)力分布

鋼橋面頂板下表面焊趾處垂直焊縫方向的焊接殘余拉應(yīng)力峰值并未達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度,隨著距離的增加殘余拉應(yīng)力逐漸減小,在距離焊趾約25 mm處殘余應(yīng)力趨近于零,如圖2所示。

圖2 垂直焊縫方向殘余應(yīng)力分布

早期日本北田俊行等[9]采用條分法,分別以不同材料(SM50Y、SS41)與不同頂板厚度(12 mm,14 mm)為參量,進(jìn)行了3組足尺模型(包含3個(gè)U肋與2個(gè)橫隔板)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:頂板與U肋連接焊縫焊趾處垂直焊縫方向的殘余拉應(yīng)力為0.6倍的屈服強(qiáng)度,且其與材料的種類無關(guān)。隨后在多多羅大橋設(shè)計(jì)階段大橋治一等[10]同樣采用條分法進(jìn)行了2組足尺模型的殘余應(yīng)力測試,其中一組包含3個(gè)U肋,頂板厚12 mm,U肋厚6 mm用于疲勞試驗(yàn),另一組包含1個(gè)U肋,頂板厚14 mm,U肋厚8 mm用于壓縮屈曲試驗(yàn),焊腳尺寸均為6 mm,鋼材為SS440,試驗(yàn)結(jié)果表明:垂直焊縫方向最大焊接殘余拉應(yīng)力可達(dá)鋼材屈服強(qiáng)度的0.6倍。

隨后周思廷[11]采用盲孔法對足尺單U肋試件(Q345qD)進(jìn)行殘余應(yīng)力測試,其中頂板厚度14 mm,U肋厚度8 mm,焊腳尺寸8 mm,在距焊趾10 mm位置處測的垂直焊縫方向殘余應(yīng)力為92 MPa。鐘雯等[12]采用盲孔法對足尺雙U肋模型(Q379qE)進(jìn)行測試,其中頂板厚度16 mm,U肋厚度6 mm,焊腳尺寸8 mm,結(jié)果顯示在焊趾處測的垂直焊縫方向殘余應(yīng)力為156 MPa。Cui等[13]采用超聲法對足尺單U肋試件(Q345qD)進(jìn)行殘余應(yīng)力測試,其中頂板厚度16 mm,U肋厚度8 mm,焊腳尺寸10 mm,超聲探頭尺寸為33 mm×15 mm,在焊趾處測的垂直焊縫方向殘余應(yīng)力約為150 MPa。

以上研究表明受待測試件尺寸與測試方法的影響所測焊趾處垂直焊縫方向的焊接殘余應(yīng)力峰值存在較大差異。

1.2 沿焊縫方向殘余應(yīng)力分布

鋼橋面頂板下表面焊趾處沿焊縫方向焊接殘余應(yīng)力峰值與材料屈服強(qiáng)度相當(dāng),隨著距離的增加殘余應(yīng)力逐漸減小,在相鄰兩條焊縫中間區(qū)域則呈現(xiàn)由于殘余拉應(yīng)力引起的壓應(yīng)力,如圖3所示。

圖3 平行焊縫方向殘余應(yīng)力分布

限于條分法的局限性,早期對鋼橋面頂板與U肋焊縫沿焊縫方向殘余應(yīng)力測試結(jié)果顯示僅為材料屈服強(qiáng)度的0.2～0.35倍。顧穎[14]對尺寸為2 m×4 m包含3個(gè)U肋的試件進(jìn)行了盲孔法殘余應(yīng)力測試,其中U肋尺寸為280 mm×300 mm,焊腳尺寸為13.2 mm。分析結(jié)果顯示沿焊縫方向焊趾處殘余應(yīng)力平均約為314.5 MPa,接近材料的屈服強(qiáng)度,相鄰U肋間由于焊接殘余拉應(yīng)力引起的壓應(yīng)力實(shí)測值約為-100 MPa。周思廷[11]對陶瓷襯墊全熔透焊的單U肋試件通過盲孔法進(jìn)行了殘余應(yīng)力測試,測試結(jié)果顯示縱橫向殘余應(yīng)力由焊趾處的殘余拉應(yīng)力峰值隨著與焊縫距離的增加逐漸降低至壓應(yīng)力,其中焊趾處殘余拉應(yīng)力峰值為387 MPa,壓應(yīng)力約為-100 MPa。鐘雯等[12]對包含兩個(gè)U肋的試件進(jìn)行殘余應(yīng)力測試,測試結(jié)果顯示焊趾處縱向殘余應(yīng)力約為350 MPa,遠(yuǎn)離焊趾區(qū)域約為-50 MPa。

上述研究測試結(jié)果表明,在焊趾處存在較大的殘余拉應(yīng)力接近材料的屈服極限,然而在遠(yuǎn)離焊趾區(qū)域存在50～100 MPa壓應(yīng)力。

2 殘余應(yīng)力對裂紋擴(kuò)展的影響

2.1 殘余應(yīng)力在裂紋擴(kuò)展過程中的重分布

裂紋尖端的焊接殘余應(yīng)力在疲勞裂紋擴(kuò)展過程中是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程。Song等[15]通過有限元模擬緊湊拉伸件裂紋擴(kuò)展時(shí)發(fā)現(xiàn)在裂紋擴(kuò)展過程中裂紋尖端的殘余應(yīng)力會(huì)發(fā)生重分布現(xiàn)象。Terada[16]通過試驗(yàn)驗(yàn)證了平板對接接頭裂紋擴(kuò)展過程中殘余應(yīng)力的重分布現(xiàn)象,并給出了平板穿透型裂紋殘余應(yīng)力重分布公式。Liljedahl等[17]基于線彈性斷裂力學(xué)采用有限元方法對經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證的CT試樣進(jìn)行裂紋擴(kuò)展過程的計(jì)算分析,計(jì)算結(jié)果顯示殘余應(yīng)力隨著裂紋長度的增加先逐漸增加,當(dāng)裂紋達(dá)到一定長度后殘余應(yīng)力逐漸降低。Hensel等[18]通過試驗(yàn)詳細(xì)研究了對接焊接接頭殘余應(yīng)力與裂紋擴(kuò)展之間相互作用的關(guān)系,分析結(jié)果顯示在裂紋擴(kuò)展過程中外荷載與殘余應(yīng)力疊加導(dǎo)致裂尖應(yīng)力超過材料屈服強(qiáng)度,會(huì)導(dǎo)致局部發(fā)生應(yīng)力松弛。

2.2 焊接殘余應(yīng)力對焊接接頭疲勞性能的影響

基于斷裂力學(xué)理論的Paris公式是最初的疲勞裂紋擴(kuò)展模型,經(jīng)過多年的發(fā)展已演變出多種形式。根據(jù)Paris公式,在裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定階段,疲勞裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅在對數(shù)關(guān)系上呈現(xiàn)線性關(guān)系。因此,在殘余應(yīng)力下應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化是研究焊接殘余應(yīng)力對疲勞裂紋擴(kuò)展的關(guān)鍵。

焊接接頭殘余應(yīng)力對疲勞性能影響的研究可追溯至1939年前后,早期研究表明,殘余應(yīng)力對焊接接頭疲勞強(qiáng)度的影響與消除殘余應(yīng)力相比可以忽略不計(jì)[19]。隨后,詳細(xì)的研究[20]表明,與原試樣相比,應(yīng)力消除試樣的抗疲勞性能可提高150%。

相關(guān)研究結(jié)果驗(yàn)證了殘余應(yīng)力對焊接接頭疲勞性能有較大的影響[21],但它們的影響尚未被很好地理解,仍然是一個(gè)存在爭議的問題。因此,如何降低焊接殘余應(yīng)力與其對焊接接頭疲勞強(qiáng)度的影響是目前研究的重要內(nèi)容。

3 基于殘余應(yīng)力消除的鋼橋面抗疲勞性能提升方法

通過上述研究表明,鋼橋面疲勞開裂不僅僅取決于焊接接頭的構(gòu)造形式,裂紋的萌生與擴(kuò)展也受到焊接殘余應(yīng)力的重要影響。因此,如何降低焊接接頭的殘余應(yīng)力,是提高鋼橋面疲勞性能的重要研究方向。

3.1 機(jī)械錘擊法

機(jī)械錘擊法是一種通過機(jī)械手段撞擊焊縫焊趾處產(chǎn)生塑性變形從而引入殘余壓應(yīng)力,減小裂紋萌生的方法,通常包含錘擊,噴丸,噴砂等。針對機(jī)械錘擊法國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了諸多研究。Berg等[22]研究結(jié)果顯示,經(jīng)過錘擊的試樣表面存在一個(gè)壓縮殘余應(yīng)力場。同時(shí),Tai等[23]的試驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過錘擊的試驗(yàn)材料其裂紋萌生與裂紋擴(kuò)展的加載次數(shù)得到較大的提升。Yamada等[24]在對裂紋進(jìn)行錘擊后發(fā)現(xiàn)形成的壓縮殘余應(yīng)力場不僅會(huì)閉合已經(jīng)形成的裂紋,還能提高其疲勞性能。然而由于鋼橋面構(gòu)造復(fù)雜,焊縫數(shù)量較多,在目前鋼橋面制造加工中很難對構(gòu)造復(fù)雜處焊縫一一進(jìn)行錘擊處理。該技術(shù)不僅對操作者的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)要求較高,而且對錘頭的形狀參數(shù)較為敏感。

3.2 焊后熱處理法

早期為了解決薄壁板件焊接導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形,Michaleris等[25]首次報(bào)道了利用熱效應(yīng)來緩解焊接前和焊接過程中的焊接變形和殘余應(yīng)力。焊后熱處理工藝中的退火工藝經(jīng)常用于壓力容器和管道等的制造中,很少用于鋼橋等大型土木工程結(jié)構(gòu),一般將標(biāo)準(zhǔn)單元整體放入大型退火爐中進(jìn)行退火處理[26]。目前焊后熱處理方法按照加熱部位分為局部加熱法與整體加熱法。

文獻(xiàn)[27]研究表明,經(jīng)過焊后退火處理的焊接接頭殘余應(yīng)力明顯降低。Lin等[28]提出了采用在焊槍兩側(cè)增加兩個(gè)移動(dòng)加熱源對焊縫附近區(qū)域進(jìn)行加熱,通過在焊縫融合區(qū)和相鄰母材冷卻過程中產(chǎn)生均勻溫度場來減少殘余應(yīng)力的形成,試驗(yàn)結(jié)果表明平行焊縫方向峰值殘余應(yīng)力降低了約21%。Wang等[29]同樣采用平行加熱技術(shù)在焊縫附近區(qū)域?qū)缚p進(jìn)行焊后熱處理,結(jié)果顯示平行焊縫方向焊接殘余應(yīng)力降低了約37%。上述研究表明雖然移動(dòng)的局部加熱裝置可以有效控制焊接翹曲,但試驗(yàn)結(jié)果顯示消除焊接殘余應(yīng)力的效果并不顯著。

2014年,森猛等[30]初步采用線狀加熱裝置在鋼橋面頂面焊縫區(qū)域加熱至625 ℃并保溫3 h,試驗(yàn)結(jié)果顯示焊縫區(qū)域平行焊縫方向殘余應(yīng)力大幅降低。廣畑幹人等[31]采用片狀陶瓷加熱裝置對單U肋試件加熱至600 ℃并保溫1 h,同樣驗(yàn)證了熱處理可以大幅降低頂板與U肋焊縫處的焊接殘余應(yīng)力。為了研究經(jīng)過加熱和冷卻過程對橋梁用鋼力學(xué)性能的影響,進(jìn)一步開展了一系列試驗(yàn)研究,結(jié)果顯示材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度與極限抗拉強(qiáng)度幾乎沒有發(fā)生變化[32]。Hirohata等[33]采用高頻感應(yīng)加熱裝置對焊接接頭焊趾處局部加熱,殘余應(yīng)力降低了88%,疲勞試驗(yàn)結(jié)果顯示相同應(yīng)力幅作用下,疲勞壽命可提高2～5倍。

由上述研究結(jié)果可知,焊后熱處理法作為消除焊接殘余應(yīng)力效果較為明顯、技術(shù)較為成熟、較易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的技術(shù)手段,其對鋼橋面關(guān)鍵焊縫的消除效果與疲勞性能的影響缺少相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 新型退火鋼橋面的探索

上述文獻(xiàn)研究結(jié)果表明鋼橋面疲勞裂紋萌生不僅與焊縫處幾何形狀有關(guān),還與焊接殘余應(yīng)力關(guān)系密切。由于焊接殘余應(yīng)力的存在,在殘余應(yīng)力與外荷載應(yīng)力作用下沒有超出材料屈服強(qiáng)度時(shí),將會(huì)加速疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展。然而現(xiàn)有文獻(xiàn)顯示鋼橋面采用局部熱處理法不僅無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)而且工藝復(fù)雜。本文借鑒壓力容器制造方法,在鋼橋面制造過程中引入焊后退火處理以消除焊接殘余應(yīng)力提升鋼橋面抗疲勞性能。為了進(jìn)一步研究焊后熱處理工藝對鋼橋面疲勞性能的影響,一共制作了16個(gè)局部足尺單U肋試件,其中6個(gè)試件(3個(gè)進(jìn)行退火處理,3個(gè)未進(jìn)行退火處理)采用盲孔法對頂板與U肋焊縫進(jìn)行殘余應(yīng)力測試,以驗(yàn)證退火處理對頂板與U肋焊縫殘余應(yīng)力的消除效果;10個(gè)試件(6個(gè)進(jìn)行退火處理,4個(gè)未進(jìn)行退火處理)進(jìn)行疲勞試驗(yàn),以驗(yàn)證退火處理對鋼橋面疲勞性能的影響。

4.1 試件制備

根據(jù)已有的鋼橋面疲勞試驗(yàn)研究成果,頂板與U肋焊縫疲勞開裂后果最為嚴(yán)重[1]。因此,本次試驗(yàn)選取頂板與U肋連接焊縫為研究對象,對比其在熱處理工藝前后疲勞強(qiáng)度的變化,上述16個(gè)試件的模型尺寸與構(gòu)造細(xì)節(jié)如圖4所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯廨喞叽鐬?00 mm×1 000 mm×296 mm(長×寬×高),制作材料采用Q345qD。其中,進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的未退火處理試件編號(hào)為AW1～AW4,退火處理試件編號(hào)為PT1～PT6。

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c局部構(gòu)造

采用臺(tái)車式電天然氣爐對標(biāo)準(zhǔn)鋼橋面單元進(jìn)行退火處理,該爐長37 m,寬8.5 m,高9 m,可同時(shí)容納800 t以上的正交異性鋼橋面板單元,并采用熱電偶自動(dòng)記錄爐內(nèi)溫度,如圖5所示。表1給出了現(xiàn)行規(guī)范中板件通用焊后熱處理程序[34],在板件溫度高于400 ℃時(shí),升溫速度不應(yīng)超過(5 500/δ)℃/h或者220 ℃/h,降溫速速不應(yīng)超過(7 000/δ)℃/h或者280 ℃/h,相應(yīng)的保溫時(shí)間至少為δ/25 h或者15 min,其中δ為板件厚度。為了驗(yàn)證在熱處理過程中,板件溫度處于可控安全區(qū)間內(nèi),在待處理試件上布置了熱電偶得到了在整個(gè)熱處理過程中溫度-時(shí)間關(guān)系曲線,如圖6所示。

表1 焊后熱處理工藝

圖5 鋼橋面板單元退火處理

圖6 實(shí)測鋼橋面溫度與時(shí)間關(guān)系曲線

4.2 加載與測試方案

4.2.1 疲勞加載與測試方案

為了研究鋼橋面頂板與U肋連接焊縫在車輛荷載作用下的疲勞性能,試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎孟鹉z墊支撐于剛性試驗(yàn)臺(tái)座上,剛性試驗(yàn)臺(tái)座與地腳螺栓相連,模型加載與約束如圖7所示。

圖7 模型加載

在圖示加載工況作用下,作動(dòng)器所施加荷載通過加載橡膠墊傳遞至試件頂板頂面,模擬車輛荷載作用效應(yīng),其后荷載通過邊界橡膠墊傳遞至剛性臺(tái)座,其中作動(dòng)器與試件之間設(shè)置200 mm×180 mm×45 mm的橡膠支座。為了使左側(cè)頂板與U肋焊縫出現(xiàn)較大垂直焊縫方向的應(yīng)力幅并出現(xiàn)疲勞裂紋,加載位置中心點(diǎn)位于試件中心向左偏移45 mm處。

為了準(zhǔn)確捕捉試件在荷載作用下的應(yīng)力響應(yīng)、識(shí)別應(yīng)力峰值,根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康脑陉P(guān)注區(qū)域頂板與U肋焊縫頂板焊趾處粘貼應(yīng)變片,應(yīng)變片布置如圖8所示。應(yīng)變片測點(diǎn)分別距離頂板焊趾8 mm(0.5t)與24 mm(1.5t),其中t為頂板厚度。距離焊趾1.5t處的應(yīng)變片作為該焊縫的名義應(yīng)力測點(diǎn),熱點(diǎn)應(yīng)力則根據(jù)國際焊協(xié)(IIW)所推薦的“0515準(zhǔn)則”進(jìn)行計(jì)算。加載設(shè)備采用MTS進(jìn)行正弦波常幅循環(huán)加載,同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)過程中各試件的應(yīng)力響應(yīng)確定加載荷載幅見表2,其中ΔF=Fmax-Fmin。

表2 各試件荷載幅值

4.2.2 殘余應(yīng)力測試方案

由于在焊接過程中,焊縫附近受到不均勻加熱與冷卻的影響相對于其他地方更大,所以頂板焊趾處熱影響區(qū)為殘余應(yīng)力測試的關(guān)注區(qū)域?？紤]到機(jī)械打磨會(huì)對表面殘余應(yīng)力分布產(chǎn)生不利影響,因此在焊縫附近區(qū)域采用化學(xué)拋光方法進(jìn)行打磨以去除表面銹蝕,拋光出長300 mm、寬50 mm的光滑面后,在距離焊縫0～20 mm之間粘貼應(yīng)變片,測點(diǎn)布置如圖9所示。根據(jù)《金屬材料 殘余應(yīng)力測定鉆孔應(yīng)變法》(GB/T 31310—2014)[35]與《殘余應(yīng)力測試方法 鉆孔應(yīng)變釋放法》(CB/T 3395—2013)[36]規(guī)定,采用直徑為2 mm的麻花鉆頭,鉆孔深度為1.2D(即2.4 mm)進(jìn)行鉆孔。

圖9 盲孔法測點(diǎn)布置

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.3.1 殘余應(yīng)力對比分析

焊接殘余應(yīng)力的影響因素較多且隨機(jī)性較大,將距離焊趾相同位置的殘余應(yīng)力實(shí)測值進(jìn)行平均處理,退火處理與未退火處理試件的殘余應(yīng)力測試結(jié)果如圖10、11所示。圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)代表距離焊趾相同位置處測點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值,淺色條帶代表該處所測數(shù)據(jù)的最大值與最小值。

圖11 實(shí)測橫向殘余應(yīng)力分布

盲孔法的測試結(jié)果顯示,未經(jīng)退火處理試件的縱橫向殘余應(yīng)力在焊縫處達(dá)到峰值,達(dá)到驚人的480.1 MPa,這可能是由于盲孔法在標(biāo)定A、B常數(shù)時(shí)所引入的誤差。一般在進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)時(shí),其標(biāo)定應(yīng)力不應(yīng)超過材料屈服強(qiáng)度,在殘余應(yīng)力接近材料屈服強(qiáng)度時(shí),鉆孔附近塑性變形明顯將引入不可忽視的誤差[14]。同時(shí),傳統(tǒng)標(biāo)定試驗(yàn)中板件材料為母材金屬,焊縫金屬與母材金屬存在較大差異,因此焊縫的殘余應(yīng)力不繪制在圖中。頂板與U肋焊縫疲勞裂紋常萌生于焊趾處,未退火試件在頂板下表面距離焊趾2 mm處的縱橫向平均殘余應(yīng)力分別為283.0 MPa與60.9 MPa,隨著測點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離焊趾,在頂板下表面距離焊趾20 mm處的縱橫向平均殘余應(yīng)力逐漸降低至12.5 MPa與9.6 MPa。橫向殘余應(yīng)力峰值明顯低于縱向殘余應(yīng)力,這是由于焊接時(shí)約束和剛度在兩個(gè)方向上的顯著各向異性導(dǎo)致的[37]。相比之下,經(jīng)過退火處理試件的焊接殘余應(yīng)力分布發(fā)生了明顯的變化。退火處理后試件縱橫向焊接殘余應(yīng)力平均值從焊趾附近的44.4 MPa與14.4 MPa分別降至距離焊趾20 mm處的7.2 MPa與8.2 MPa。

試驗(yàn)結(jié)果表明,退火處理后試件的縱橫向焊接殘余應(yīng)力明顯減小,其中橫向焊接殘余應(yīng)力峰值平均值比原始狀態(tài)降低了76.4%,然而縱向殘余應(yīng)力降低更為明顯(即84.3%)。原始狀態(tài)下試件焊接殘余應(yīng)力在熱影響區(qū)分布不均勻,而經(jīng)過退火處理后的試件在焊趾附近殘余應(yīng)力分布均勻且趨近于零。同時(shí),隨著測點(diǎn)距焊趾距離的增加,原始狀態(tài)下的試件與經(jīng)過退火處理后的試件焊接殘余應(yīng)力逐漸趨于一致,表明殘余應(yīng)力隨距離的增加而減小。

4.3.2 疲勞性能對比分析

試件AW1在循環(huán)荷載作用下,其荷載響應(yīng)在加載墊兩側(cè)呈現(xiàn)雙峰分布特征,其峰值處的應(yīng)變片為關(guān)鍵測點(diǎn),如圖12所示。根據(jù)試件破壞結(jié)果可知,疲勞裂紋萌生于頂板與U肋焊縫頂板焊趾應(yīng)力幅值最大處,隨著加載次數(shù)的增加裂紋沿著頂板厚度方向與焊縫方向逐漸擴(kuò)展,這與文獻(xiàn)[38-39]研究結(jié)果一致,典型疲勞破壞如圖13所示。經(jīng)過退火處理與未經(jīng)過退火處理試件的應(yīng)力-壽命結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示。為了便于各個(gè)試件在不同應(yīng)力幅作用下疲勞壽命的對比,式σm·N=C(其中,σ為應(yīng)力幅,N為疲勞壽命,C為材料常數(shù))中m取3,將各個(gè)試件的實(shí)測應(yīng)力幅換算為200萬次所對應(yīng)的等效應(yīng)力幅,該等效應(yīng)力幅記為等效疲勞強(qiáng)度。

表3 各試件疲勞試驗(yàn)結(jié)果匯總

圖12 各測點(diǎn)荷載作用下應(yīng)力幅

圖13 典型疲勞開裂模式

試驗(yàn)結(jié)果顯示,采用200萬次等效疲勞強(qiáng)度進(jìn)行定量比較(以下簡稱為疲勞強(qiáng)度):在名義應(yīng)力法下,經(jīng)過退火處理試件的平均疲勞強(qiáng)度(117 MPa)比未經(jīng)退火處理試件(95 MPa)高23%;在熱點(diǎn)應(yīng)力下,經(jīng)過退火處理試件的平均疲勞強(qiáng)度(148 MPa)比未經(jīng)退火處理試件(111 MPa)高33%;換算為設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度70 MPa時(shí),其疲勞壽命分別提高86%與135%。在名義應(yīng)力和熱點(diǎn)應(yīng)力中,經(jīng)過退火處理試件的平均等效疲勞強(qiáng)度均明顯高于原始試件。

5 結(jié) 論

本文首先系統(tǒng)性地回顧和探討鋼橋面焊縫的焊接殘余應(yīng)力分布模式,就殘余應(yīng)力對疲勞裂紋發(fā)展的影響開展調(diào)研和分析。隨后,在歸納和總結(jié)國內(nèi)外主流降低焊接殘余應(yīng)力方法的基礎(chǔ)上,提出對鋼橋面采用焊后退火工藝處理。通過對退火處理與未退火處理的16件足尺單U肋試件開展殘余應(yīng)力測試和疲勞試驗(yàn),初步研究了退火處理對鋼橋面頂板與U肋連接焊縫殘余應(yīng)力分布與其對疲勞性能的影響?；谏鲜鲅芯?得到如下主要結(jié)論:

1)鋼橋面頂板與U肋連接焊縫在沿焊縫方向與垂直焊縫方向的焊接殘余應(yīng)力分布模式類似,均在焊趾處出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力峰值,且隨著距離的增加而快速減小;兩個(gè)方向上的焊接殘余應(yīng)力峰值存在較大差異,其中沿焊縫方向殘余應(yīng)力峰值接近材料屈服強(qiáng)度,垂直焊縫方向殘余應(yīng)力峰值約為材料屈服強(qiáng)度的0.2～0.5倍。

2)焊接殘余拉應(yīng)力引起應(yīng)力強(qiáng)度因子的增加,進(jìn)而加速裂紋擴(kuò)展。但同時(shí),隨裂紋的逐漸擴(kuò)展,殘余應(yīng)力發(fā)生重分布,應(yīng)力強(qiáng)度因子相應(yīng)減小,導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率降低。

3)焊接殘余應(yīng)力是導(dǎo)致構(gòu)件疲勞性能退化的重要因素,可通過機(jī)械錘擊法與焊后熱處理法處理。其中,焊后退火處理可以工業(yè)化調(diào)控鋼橋面焊接殘余應(yīng)力,且材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度與極限抗拉強(qiáng)度均無明顯改變。

4)基于試件模型的殘余應(yīng)力實(shí)測表明,焊后退火處理可大幅降低鋼橋面頂板與U肋連接焊縫的焊接殘余應(yīng)力:垂直焊縫方向的平均焊接殘余應(yīng)力降低76.4%,沿焊縫方向的平均焊接殘余應(yīng)力降低84.3%。

5)疲勞試驗(yàn)結(jié)果顯示,退火處理后的鋼橋面頂板與U肋連接焊縫疲勞強(qiáng)度大幅提高,以200萬次等效疲勞強(qiáng)度計(jì),名義應(yīng)力和熱點(diǎn)應(yīng)力下退火處理試件的平均疲勞強(qiáng)度分別提高23%和33%。