蜂窩梁殘余應力試驗

中圖分類號：TU391 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2025）09-093-11

Abstract：Castellated beams areanew type of structural member fabricated by cuting the webofan I-section or H-sectionmember along with the polygonal lines and then welding the upper and lower halves together. Compared to the traditional solid-web beams，castelated beams exhibit theadvantages ofahigh strength-to-weight ratio， high in-plane stiffness，and economic eficiency.Due to the increased depth and the presence of openings， castellated beams are more susceptible to buckling.Studies have shown that the distribution of residual stresses across the section significantly influences their overall stability behavior. In this study，the residual stress distribution of two solid beams，four beams with low-height web plates，and four castellated beam specimens was measured using thesectioning method to investigate the influence of the cutingand weldingprocesses on the residual stresses in thecastellatedbeam sections.Testresults indicate thatthe shape of the flange residual stress distributionremains largelyunchangedafter cutingand welding，but the tensile residual stress at theflange-web junction increases significantly，and itcanachieve the yield strength after welding.The webcut region in the shallow and deep web specimens exhibit high levels of tensile residual stress.The residual stressdistribution in the T-section ofcastellated beams is similar to that of the short and deep web specimens，while the web post sectionincastellted beams exhibits changes due to welding，with tensile residual stresses reaching yield strength at the welds.Based on the analysis of test results and existing models，a simplified model forlongitudinal residual stress distribution was proposed for castellated beams，which could provide a reference for the stability analysis and design of castellated beams.

Keywords：castellated beams;cutting;welding;residual stress; distribution model

蜂窩梁是通過對熱軋工字形或H形截面構(gòu)件的腹板沿特定折線切割后錯位焊接而成的空腹構(gòu)件，具有材料利用率高、經(jīng)濟性好、施工便利性強等特點，在民用建筑、工業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)中得到廣泛應用[]。周緒紅等[7]對已有成果歸納，認為蜂窩梁的穩(wěn)定問題主要分為整體彎扭失穩(wěn)、梁墩屈曲和畸變屈曲3種類型。整體彎扭失穩(wěn)常見于長細比較大、受壓翼緣約束不足的蜂窩梁構(gòu)件中，其破壞機理與實腹梁類似，如圖1（a）所示;蜂窩梁長細比較小時，作用于梁墩處的集中力會導致腹板發(fā)生類似壓桿失穩(wěn)破壞，即梁墩屈曲，如圖1（b）所示；對于長細比適中的蜂窩梁，更易發(fā)生畸變屈曲，如圖1（c）所示。

圖1梁的畸變屈曲

Fig.1Distortionalbucklingofbeams

目前，國內(nèi)外學者針對蜂窩梁整體失穩(wěn)和局部屈曲性能進行了大量研究。Sonck等[90]采用切條應力釋放法測量了加工制作過程中蜂窩梁截面殘余應力的數(shù)值和分布，提出蜂窩梁截面縱向殘余應力分布的簡化模型；通過試驗和數(shù)值分析2種方法研究了殘余應力對蜂窩梁整體穩(wěn)定性能的影響程度。陳向榮等通過數(shù)值法研究了殘余應力分布對蜂窩梁整體穩(wěn)定承載力的影響，借鑒Sonck等提出的殘余應力分布模型，進行針對性修正，發(fā)現(xiàn)蜂窩梁整體穩(wěn)定承載力的大小主要受截面翼緣邊緣殘余應力峰值的影響。Ellobodl[2-3]對不同孔型蜂窩梁的畸變屈曲性能進行了研究，在考慮幾何和材料非線性的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模型對截面幾何參數(shù)、構(gòu)件長度和鋼材強度等影響因素進行了分析，并與澳大利亞標準（AS4100）的計算結(jié)果進行了對比;需要指出，Ellobody的研究中對蜂窩梁殘余應力的考慮不足，其中，對六邊形孔蜂窩梁的分析未考慮殘余應力，對圓形孔蜂窩梁的分析中直接使用了實腹梁的分布模型，而 Sonck等[9的研究表明，蜂窩梁的加工制作過程改變了原型構(gòu)件截面的殘余應力分布，影響到蜂窩梁的整體穩(wěn)定性。

賈連光等[15]采用鉆孔法，對7根蜂窩梁試件腹板開孔處截面的縱向殘余應力進行實測，分析了各因素的影響規(guī)律，提出了不同工藝條件下蜂窩梁開孔截面（梁橋截面）的殘余應力分布模型，但未考慮開孔對翼緣殘余應力分布的影響，也未給出梁墩截面的殘余應力分布。Zhou等對有限元模型進行驗證，考慮翼緣厚度、翼緣寬度和腹板厚度等因素的影響，分析了蜂窩梁加工過程中切割、焊接對截面殘余應力分布的影響程度。

綜上所述，由于殘余應力的分布模式與構(gòu)件的材料屬性、約束條件、截面尺寸、截面類型、加工工藝等相關(guān)，蜂窩梁截面殘余應力分布尚不明確。為進一步研究蜂窩梁殘余應力分布，文中采用切條法針對2種不同截面尺寸的熱軋H型鋼制成的蜂窩梁進行了測試，研究了加工前、腹板切割后、焊接后3個階段的殘余應力分布，提出了殘余應力的分布模型，為蜂窩梁穩(wěn)定性能的研究和工程設(shè)計提供了參考。

1 試驗概況

1.1 測試方法

殘余應力的檢測方式主要分為兩類，即無損檢測法和破壞性測試法。無損檢測法一般用于原位測試及竣工驗收監(jiān)測，測定構(gòu)件表層或淺層部位的殘余應力，要求被測的構(gòu)件保持完好，常用的有X射線檢測法和超聲波檢測法。破壞性檢測法的核心原理是通過人為施加外部荷載或破壞性手段來實現(xiàn)應力釋放，即通過破壞材料原有的應力平衡，達到釋放殘余應力的目的，分析測定的應變或者位移得到測試部位的應力，常用方法有盲孔法、切條法和剝層法。由于盲孔法對操作空間要求較高，難以實現(xiàn)對蜂窩梁全截面殘余應力的測定，試驗中殘余應力的量測采用切條法。切條法又稱為截面法或者分割法，如圖2所示，通過待測區(qū)電阻應變片在切割前后數(shù)值的變化來計算殘余應力的大小。

圖2 切條法示意圖

Fig.2 Schematicdiagramof sectioningmethod

1.2 試件設(shè)計及加工

為研究加工制作過程對蜂窩梁殘余應力的影響，針對牌號Q235B的2種常用H型鋼截面（A類截面HN198×99×4.5×7.B 類截面 HN248×124×5×8） 進行研究。試驗中的六邊形孔蜂窩梁試件按照標準方式制作，如圖3所示。首先，對實腹型鋼梁的腹板按照預定折線進行切割，其中， H 為蜂窩梁高度，再將2部分錯位焊接得到蜂窩梁。

圖3型鋼梁腹板切割

Fig.3 Cutting of shape steel beam web

為研究加工制作過程對蜂窩梁截面殘余應力的影響規(guī)律，分別對切割前（A1）、切割后（A2）、焊接后（A3）3個階段的試件進行殘余應力測定，試件示意圖和成品圖分別如圖4和圖5所示。圖中A1為未經(jīng)加工的A類截面型鋼梁;A2為沿預定折線切割后的T形梁，其中，A2-1和A2-2分別為測試跨中殘余應力的矮腹板和高腹板試件;A3為由2片T形梁錯位焊接而成的蜂窩梁，其中，A3-1和A3-2分別為測試蜂窩梁梁橋、梁墩跨中殘余應力的試件。B類截面各試件的命名與此類似。各試件的詳細尺寸如表1所示。

圖4殘余應力測試試件示意圖

Fig.4Schematic diagramof specimens forresidual stressmeasurement

圖5殘余應力測試試件示意圖

Fig.5Specimensforresidual stressmeasurement

表1殘余應力測試試件幾何參數(shù)

Table1 Geometricparametersofspecimensforresidual stressmeasurement m1

1.3 材料屬性

試件采用Q235B級鋼材，通過標準板件拉伸試驗得到其彈性模量、屈服強度等物理參數(shù)實測值，如表2所示。材性試驗中，試件的加工精度和測試方法依據(jù)《金屬材料-室溫拉伸試驗方法》（GB/T228—2010）[7]的規(guī)定進行，沿各類板材的長度方向截取3個標準試件。表2中，AF和AW分別代表A類截面型鋼的翼緣和腹板，BF和BW分別代表B類截面型鋼的翼緣和腹板。可以看出，各板材的彈性模量實測均值差距較小，在其后的殘余應力計算中，將彈性模量統(tǒng)一取 202GPa 。

表2鋼材材性指標

Table2Propertiesofsteelmaterials

1.4 測量方案

試驗中，各試件的應變測試點位于跨中，通過應變片采集數(shù)據(jù)，結(jié)合材性試驗彈性模量的實測值換算得到殘余應力的數(shù)值。各試件的測點布置如圖6所示。對于翼緣部分，基于試件截面的對稱性，測點布置在單側(cè)翼緣的外表面，7個測點沿試件橫截面方向均勻分布，為保證切割時殘余應力的充分釋放，最外側(cè)測點距離翼緣邊緣為 3mm ，如圖7（a）所示。對于A1/B1實腹梁試件，在其跨中腹板均勻布置9個測點;A2-1/B2-1跨中為矮腹板梁試件，在跨中腹板布置3個測點;A2-2/B2-2高腹板試件，跨中腹板布置9個測點;跨中為梁橋的蜂窩梁試件A3-1/B3-1，腹板測點的布置與短腹板試件類似;對于跨中為梁墩的蜂窩梁試件A3-2/B3-2，由于腹板中部焊縫外凸導致表面不平整，且焊縫處材料與試件鋼材性能存在差異，故在焊縫上下兩側(cè)距離焊縫5mm 處布置測點，其余測點的布置與長腹板試件類似，如圖7（b）所示。

圖6測點布置示意圖

Fig.6Schematicdiagramofmeasuringpointsdistribution

采用切條法測試試件的殘余應力之前，先用硅膠阻燃劑對黏貼牢固的應變片進行保護，以避免切割過程中冷卻液及飛濺的切割火花對應變片造成損害，影響測試結(jié)果。以蜂窩梁試件A3-2/A3-2為例，介紹整個殘余應力測試過程。如圖8所示，先將準備好的試件固定在車床工作臺面上，沿試件跨中的橫截面方向移動電極絲，將試件一分為二;再沿試件的軸向移動電極絲，依次將黏貼于梁墩腹板的應變片上下兩側(cè)材料分離，充分釋放待測部位的縱向殘余應力，同時記錄切割前后應變儀中各應變片示數(shù)的變化，結(jié)合材性試驗中鋼材彈性模量的實測值，得到蜂窩梁試件梁墩腹板殘余應力的大小和分布，試驗過程如圖9所示;最后，取試件中部分翼緣和腹板構(gòu)成的T形部件，擺正位置，對試件翼緣的殘余應力進行測試，過程與腹板殘余應力的測試過程類似，如圖10所示。

圖7蜂窩梁試件應變片布置

圖9腹板殘余應力測試

2 試驗結(jié)果及分析

為驗證文中殘余應力測試方法的準確性，將試驗中實腹梁試件A1和B1（切割前）的測試結(jié)果與王國周等[18]和 Sonck[1]切條法測試熱軋H型鋼殘余應力的分布模型進行對比;再通過對比實腹梁試件、切割試件和錯位焊接后形成的蜂窩梁試件截面的殘余應力分布，探究蜂窩梁制作過程中切割、焊接工藝對構(gòu)件截面殘余應力分布的影響;最后，結(jié)合試驗中蜂窩梁試件的測試結(jié)果提出蜂窩梁構(gòu)件截面殘余應力分布模型。為便于與已有殘余應力分布模型對比，圖中殘余應力坐標軸數(shù)據(jù)采用相對值表示，即 σ_r/f_y ，其中 σ_r 和 f_y 分別為殘余應力和鋼材屈服強度，位置坐標采用測點至對稱軸或翼緣的相對距離表示，即 y/h_w 和 x/B ，其中，y為腹板測點至腹板半高或者翼緣腹板交匯處的豎向距離； h_w 為實腹梁或蜂窩梁試件腹板的半高或楔形腹板T型梁腹板高度； x 為翼緣測點至翼緣腹板交匯處的水平距離； B 為試件翼緣半寬。

2.1實腹梁殘余應力

試件A1和B1的測試結(jié)果如圖1所示，可以看出，試驗選取的2種熱軋H型鋼試件其翼緣截面主要處于受拉狀態(tài)，殘余拉應力最大值為 0.25f_y ，極值點位于翼緣與腹板交匯處;試件B1單側(cè)翼緣邊緣存在受壓區(qū)，極值為 -0.12f_y ；腹板兩端受拉，中部受壓，極值分別為 0.15f_y 和 -0.3f_y 。由圖可知，試驗結(jié)果與文獻的模型數(shù)值較為接近，趨勢類似，表明該試驗測試方案可以得到殘余應力分布。

圖11 實腹梁殘余應力

Fig.11Residual stress of solidwebbeams

2.2矮腹板、高腹板試件殘余應力

切割后的矮腹板和高腹板試件殘余應力測試結(jié)果如圖12和圖13所示。可以發(fā)現(xiàn)，相比于實腹梁翼緣，切割后矮腹板和高腹板試件的翼緣殘余應力分布形狀沒有明顯變化，但試件A2-1和試件B2-1殘余拉應力極值從 0.25f_y 增加至 0.3f_y ，試件A2-2增至 0.4f_y ，試件B2-2中部的測試結(jié)果不同，表現(xiàn)為殘余壓應力，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是運輸或存放過程中的碰撞改變了試件原有的應力場。切割過程導致試件腹板殘余應力變化較大，白巨波對牌號為Q460GJ的焰切邊焊接H型鋼截面殘余應力進行了測試，發(fā)現(xiàn)切割邊緣處殘余應力可達到f_y ，相鄰區(qū)域迅速下降并轉(zhuǎn)為殘余拉應力，試件A2-1、B2-1和B2-2的切割處殘余應力與該規(guī)律吻合，試件 A2-2切割處未產(chǎn)生較大殘余拉應力（見圖13（b）），是由于構(gòu)件腹板較薄（ 4.5mm 運輸過程中碰撞變形所導致，但與試件A1腹板處殘余壓應力相比殘余拉應力亦有所提高。如圖12和圖13所示，Sonck模型可以較好地預測腹板試件翼緣殘余應力分布，但無法準確預測短腹板T型梁腹板殘余應力分布。

圖12矮腹板試件梁殘余應力

Fig.12Residual stress of specimenswith shortweb

圖13高腹板試件殘余應力

2.3蜂窩梁殘余應力

圖14所示為蜂窩梁梁橋截面殘余應力分布，可以看出其翼緣殘余應力分布與原矮腹板試件翼緣殘余應力分布（見圖12（a））相似，但極值明顯增加并接近 f_y 。腹板殘余應力分布與原矮腹板試件殘余應力分布相比無明顯變化，主要原因是該處截面未進行焊接，對腹板殘余應力分布影響較小。Sonck模型可較好地預測蜂窩梁梁橋截面翼緣殘余應力分布趨勢，但低估了翼緣和腹板連接處拉應力，此外，預測結(jié)果與腹板殘余應力分布吻合較差。

圖14蜂窩梁梁橋截面殘余應力

Fig.14Residual stressofT-sectionforcastellatedbeams

蜂窩梁梁墩截面殘余應力分布結(jié)果如圖15所示。與蜂窩梁梁橋截面翼緣類似，其分布模式無明顯改變，但翼緣和腹板連接處殘余拉應力有增大的趨勢。腹板由于焊接的影響殘余拉應力較大，焊接處殘余應力高達 f_y ，然后往兩端迅速下降至 -0.4f_y Sonck模型可以較好地預測蜂窩梁梁墩截面殘余應力分布模式，但低估了翼緣拉應力極值。

3蜂窩梁殘余應力分布模型

綜上所述，Sonck模型可較好地預測蜂窩梁截面殘余應力分布趨勢，但無法準確預測梁橋截面腹板殘余應力分布，且低估了殘余拉應力極值，此外，Sonck模型為二次曲線，較為復雜。文中提出了一種簡化的蜂窩梁殘余應力分布折線模型，如圖16所示。

圖16殘余應力分布模型

Fig.16Residual stressdistribution model of castellatedbeams

蜂窩梁翼緣殘余應力分布模型函數(shù)表達式為

式中： a 為翼緣相對位置，即 a=x/B_f∈[0，0.5];x 為翼緣上計算截面到翼緣形心的水平距離； B_f 為翼緣寬度。

文中模型與試驗結(jié)果對比如圖14和圖15所示，可以看出，文中提出的模型可以較好地預測蜂窩梁殘余應力分布模式，需要注意的是，文中提出的模型中翼緣中部殘余拉應力的數(shù)值低于試驗的實測結(jié)果，主要考慮殘余拉應力極值的降低可通過加工制作工藝的改善來實現(xiàn)，且殘余拉應力對蜂窩梁整體穩(wěn)定承載力有提升作用，因此模型適當降低翼緣中部殘余拉應力極值可提升構(gòu)件設(shè)計的安全性。

4結(jié)論

文中對蜂窩梁殘余應力進行了試驗，分析了切割和焊接等加工過程對蜂窩梁殘余應力分布的影響，并提出殘余應力分布折線模型，主要結(jié)論如下。1）熱軋H型鋼翼緣基本處于殘余拉應力狀態(tài)，并在翼緣與腹板連接處達到極值，約 0.25f_y ；腹板兩端處于殘余拉應力狀態(tài)，中部為殘余壓應力狀態(tài)，極值分別為 0.15f_y 和 -0.3f_y 。2）熱軋H型鋼殘余應力分布模式與王國周模型和Sonck模型所預測的分布趨勢類似，表明所采用的試驗方案可較好地預測蜂窩梁殘余應力分布。3）蜂窩梁切割后矮、高腹板試件翼緣殘余應力分布形狀相比于實腹梁無明顯變化，但殘余拉應力極值略有增加。矮、高腹板試件腹板由于切割殘余應力有較大變化，切割處出現(xiàn)較大殘余拉應力。4）相比于原實腹梁，焊接后蜂窩梁翼緣殘余應力分布形狀類似，但翼緣和腹板連接處殘余拉應力明顯增大并趨近于 f_y 。梁橋截面處腹板由于未進行焊接其殘余應力分布相比于原矮腹板試件腹板殘余應力分布無明顯變化，但梁墩截面處腹板的殘余應力因焊接影響有較大改變，焊縫處殘余應力高達 f_y 5）Sonck模型可較好地預測蜂窩梁殘余應力分布趨勢，但對梁橋截面腹板殘余應力分布不準確，且所預測的殘余拉應力極值遠低于試驗值。文中所提出的簡化殘余應力分布折線模型與試驗測得的蜂窩梁殘余應力分布吻合良好。

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（編輯陳移峰）