盲孔法在鋼箱梁橋焊接殘余應(yīng)力測試中的應(yīng)用

丁代偉，薛 江

（1.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司,天津市 300381;2.天津城建大學(xué),天津市 300384）

盲孔法在鋼箱梁橋焊接殘余應(yīng)力測試中的應(yīng)用

丁代偉1，薛 江2

（1.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司,天津市 300381;2.天津城建大學(xué),天津市 300384）

隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼橋作為一種綠色建材類型具有良好的發(fā)展?jié)摿颓熬啊：喪隽虽摻Y(jié)構(gòu)橋梁中焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因及其影響，針對鋼箱梁焊接殘余應(yīng)力研究較少的現(xiàn)狀，提出采用盲孔法測試鋼箱梁殘余應(yīng)力的思路。以海河春意橋?yàn)槔U述盲孔法的測試原理，針對鋼箱梁橋焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行相應(yīng)測試，得出了鋼箱梁焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律及特點(diǎn)，為后續(xù)施工及設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

焊接殘余應(yīng)力；鋼箱梁；盲孔法；主拉應(yīng)力；主壓應(yīng)力

0 引言

近十幾年來，隨著社會(huì)發(fā)展的需要，橋梁建設(shè)在城市建設(shè)以及基礎(chǔ)設(shè)施中得到了迅速的發(fā)展，特別是大跨徑鋼箱梁橋。目前我國鋼箱梁的工廠制造己全部采用焊接，現(xiàn)場連接也由高強(qiáng)度螺栓轉(zhuǎn)向栓焊或全焊連接。鋼箱梁加勁板在焊接和冷卻過程中由于焊件受熱和冷卻不均勻會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和殘余變形，焊接應(yīng)力較高的部位將達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度而發(fā)生塑性變形。構(gòu)件的殘余應(yīng)力在焊縫位置區(qū)域存在很大的拉應(yīng)力，其他區(qū)域則受壓。由于加勁板中殘余應(yīng)力的影響，也會(huì)使加勁板的剛度和屈曲荷載降低。同時(shí)殘余應(yīng)力對于結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕等都有至關(guān)重要的影響[1，2]。

因此，對于整體節(jié)段焊接殘余應(yīng)力的研究，有必要通過模型試驗(yàn)來進(jìn)行現(xiàn)場測試。本文正是基于盲孔法對在建橋梁進(jìn)行測試，以找出焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和評價(jià)焊接工藝的合理性，以便采取有效措施控制殘余應(yīng)力及變形，為鋼梁制造架設(shè)提供指導(dǎo)性意見。

1 盲孔法檢測原理

盲孔法測量原理見圖1，假設(shè)一個(gè)各向同性材料上某一區(qū)域內(nèi)存在一般狀態(tài)的殘余應(yīng)力場，其最大、最小主應(yīng)力分別為σ1和σ2。在該區(qū)域表面上粘貼專用應(yīng)變花，在應(yīng)變花中心打一個(gè)小孔，引起孔邊應(yīng)力釋放，從而在應(yīng)變花區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生釋放應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)變花測量的釋放應(yīng)變就可以計(jì)算出殘余應(yīng)力。

圖1 盲孔法殘余應(yīng)力測量原理

用圖2表示被測點(diǎn)O附近的應(yīng)力狀態(tài)：σ1和σ2為O點(diǎn)的殘余主應(yīng)力。在距離測點(diǎn)半徑為r的P點(diǎn)處，σr和σt分別表示鉆孔釋放的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力，并且σr和σt的夾角為φ。

圖2 測點(diǎn)O附近的應(yīng)力狀態(tài)

根據(jù)彈性力學(xué)原理，我們可以得出殘余應(yīng)力與殘余主應(yīng)力的關(guān)系，見式（1）。

其中，參數(shù)A和B如下：

式中：E、μ分別為被測材料的彈性模量和泊松比；a、r1、r2分別為孔半徑和盲孔中心到應(yīng)變片近孔端、遠(yuǎn)孔端距離，見圖1。

為了計(jì)算方便，三個(gè)應(yīng)變片之間的夾角采用標(biāo)準(zhǔn)角度，如φ，φ+45°，φ+90°，這樣測得的三個(gè)應(yīng)變分別為ε0，ε45和ε90。

式中：φ為0°應(yīng)變片與第一主應(yīng)力方向的夾角。

如果三個(gè)應(yīng)變片都準(zhǔn)確地貼在同一圓周上，則有A0=A45=A90=A和B0=B45=B90=B。對式（2）進(jìn)行聯(lián)立求解，得

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

春意橋主橋采用57.5m+85m+57.5m三跨跨越海河，橋跨總長200m，主跨85m，見圖3。

主橋由橫向7個(gè)鋼箱梁組成，橫向?qū)ΨQ布置，每個(gè)鋼箱梁寬度3.452m，鋼箱梁之間間距1.644m。鋼箱梁頂面與道路縱斷線形一致，底面為曲線線形。兩個(gè)鋼箱梁之間采用上下兩個(gè)橫梁進(jìn)行連接。鋼箱梁內(nèi)部設(shè)大橫隔板和小橫隔板，其標(biāo)準(zhǔn)間距為2.5m。鋼箱梁之間橫梁布置位置對應(yīng)大、小橫隔板。

鋼箱梁頂板設(shè)置U肋，底板設(shè)置T肋，腹板設(shè)置豎向、橫向加勁肋，見圖4。

主橋鋼結(jié)構(gòu)全部采用焊接，其中板厚變化的位置需進(jìn)行板厚過渡處理，過渡段應(yīng)滿足不小于1∶8，不大于1∶6，并且板厚過渡區(qū)域在薄板范圍內(nèi)。

3.2 焊接殘余應(yīng)力檢測

測試儀器為上海樂展電器有限公司銷售的YC-III-2型殘余應(yīng)力鉆孔裝置，靜態(tài)程控電阻應(yīng)變儀型號CM-2B型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀。測試過程見圖5。

圖4 鋼箱梁示意圖（單位：cm）

圖5 現(xiàn)場測試圖

根據(jù)春意橋拼裝焊接的步驟，可以知道，該橋在頂板上有縱向和橫向兩種焊縫，因此焊接殘余應(yīng)變測點(diǎn)的布設(shè)選擇其中同一箱梁的相交橫焊縫上。測點(diǎn)布置具體為：橫橋向布置在4#～5#跨箱梁二第一道橫向焊縫位置處；橫橋向由于主梁為梁橫向布置七片箱梁和六片箱間橫隔板構(gòu)成，為對稱結(jié)構(gòu)，因此選擇箱梁二三間箱梁二與箱間橫隔板的焊縫。每個(gè)箱梁的殘余應(yīng)力測點(diǎn)布置為：橫向焊縫殘余應(yīng)力測點(diǎn)布置為距離焊縫邊緣0.02m，間距0.4m的測點(diǎn)10個(gè)，在橫向焊縫中間沿垂線方向布置間距為0.01m的測點(diǎn)2個(gè)，橫向焊縫殘余應(yīng)力測點(diǎn)共12個(gè)點(diǎn)；縱向焊縫殘余應(yīng)力測點(diǎn)布置距離焊縫邊緣0.02m，間距0.6m的測點(diǎn)4個(gè)，在第三個(gè)測點(diǎn)位置處，沿縱向焊縫垂線方向布置間距為0.01m的測點(diǎn)2個(gè)，縱向焊縫殘余應(yīng)力測點(diǎn)共6個(gè)點(diǎn)。總測點(diǎn)共16個(gè)。測點(diǎn)布置見圖6。

圖6 箱梁二焊接殘余應(yīng)力測試點(diǎn)位置圖

3.3 焊接殘余應(yīng)力檢測結(jié)果

通過現(xiàn)場對春意橋進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力測試，可以得到測試部位殘余應(yīng)力結(jié)果見表1，箱梁二焊縫殘余應(yīng)力分布見圖7～圖9。其中“+”表示拉應(yīng)力,“-”表示壓應(yīng)力，σmax為測點(diǎn)處主拉應(yīng)力,σmin為測點(diǎn)處主壓應(yīng)力 ,θ為主拉應(yīng)力σmax與焊縫方向的夾角。

表1 箱梁二焊縫殘余應(yīng)力測試結(jié)果 MPa

圖7 橫向焊縫殘余應(yīng)力分布圖（單位：MPa）

圖8 縱向焊縫殘余應(yīng)力分布圖（單位：MPa）

由以上測試結(jié)果及分布圖可知,箱梁二頂板橫向焊縫測區(qū)的殘余應(yīng)力峰值為199.97MPa,為材料屈服強(qiáng)度的57.96%；箱梁二頂板縱向焊縫測區(qū)的殘余應(yīng)力峰值為-157.94MPa,為材料屈服強(qiáng)度的45.78%。從整體來看，箱梁二梁端段頂板焊縫測區(qū)殘余應(yīng)力整體水平在材料屈服強(qiáng)度的25%左右，焊縫附近的殘余應(yīng)力大小沿切線方向和垂線方向分布均為非線性。

圖9 測點(diǎn)與焊縫位置殘余應(yīng)力分布圖（單位：MPa）

4 結(jié)語

本文簡要介紹了盲孔法測試鋼箱梁焊接殘余應(yīng)力的原理，并以天津海河上在建的春意橋?yàn)檠芯繉ο螅妹た追▽︿撓淞喉敯迳虾缚p處殘余應(yīng)力進(jìn)行了測試。分析測試結(jié)果后得到了各測點(diǎn)主應(yīng)力。

（1）焊縫附近的應(yīng)力分布不均勻，沿焊縫方向既存在拉應(yīng)力，也存在壓應(yīng)力，且拉壓應(yīng)力交替出現(xiàn)。

（2）春意橋跨中箱梁頂板與橫向1/3處箱梁頂板焊接殘余應(yīng)力分布類似，跨中焊接殘余應(yīng)力整體水平要高于1/3處。

（3）春意橋箱梁頂板橫向焊縫處殘余應(yīng)力分布呈中間大，兩端小的趨勢。

（4）焊縫附近鋼板的殘余應(yīng)力與距焊縫距離無線性關(guān)系。

[1]米谷茂.殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與對策[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 1983.

[2]宋天民.焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與消除[M].北京：中國石化出版社, 2005.

U446.1

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：1009-7716（2017）02-0158-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.02.049

2016-12-06

丁代偉（1986-），男，山東聊城人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。