大跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁由于受力大多采用厚鋼板，橋梁結(jié)構(gòu)中的連接焊縫復(fù)雜，焊接完成后焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力問題越來越突出。而殘余應(yīng)力是產(chǎn)生變形和開裂等工藝缺陷的主要原因，直接影響到焊接構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定承載力。所以焊接后要進(jìn)行消除應(yīng)力處理。采用超聲波去應(yīng)力工藝，消除焊縫殘余應(yīng)力。本文主要是對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力檢測(cè)，了解焊接殘余應(yīng)力大小及分布狀況，并對(duì)超聲波處理后的試件進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，評(píng)估超聲波時(shí)效效果。

磁測(cè)法殘余應(yīng)力檢測(cè)

本次殘余應(yīng)力檢測(cè)方法采用磁測(cè)法，此方法屬于無損檢測(cè)方法，能測(cè)出同一點(diǎn)在不同狀態(tài)下的應(yīng)力情況，既能測(cè)平面光滑試樣的應(yīng)力又能測(cè)復(fù)雜形狀部位處的焊縫殘余應(yīng)力。儀器采用聚航科技生產(chǎn)的JH-60三維應(yīng)力磁測(cè)系統(tǒng)。

磁測(cè)法前期準(zhǔn)備工作

磁測(cè)法測(cè)試前應(yīng)*行靈敏系數(shù)的標(biāo)定。可通過單向拉壓或4點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)確定。正式測(cè)試時(shí)，應(yīng)先打磨試件焊縫上的測(cè)點(diǎn)，然后將測(cè)試儀器的一個(gè)探頭直接接觸在測(cè)點(diǎn)上，另一個(gè)探頭放置在預(yù)先標(biāo)定好靈敏系數(shù)的鋼板上，探頭底部有兩個(gè)磁極，通過測(cè)定磁導(dǎo)率的變化來確定一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。

想要確定超聲波去應(yīng)力的效果是否滿足要求，必須選用同一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行處理前后的焊接殘余應(yīng)力檢測(cè)。

大橋構(gòu)件焊接殘余應(yīng)力檢測(cè)

某大橋?yàn)榇罂鐝戒摻Y(jié)構(gòu)斜拉橋，其主橋跨徑組合為35.5m+186m+436m+186m+35.5m，主橋長(zhǎng)度為879m。斜拉索在鋼梁上的錨固采用了錨拉板結(jié)構(gòu)形式。錨拉板焊接在主梁上翼緣頂板上，錨管嵌于錨拉板上部的中間，兩側(cè)與錨拉板焊接連接，中部除開孔安裝錨具外，還需連接上下兩部分。為了補(bǔ)償開孔部分對(duì)錨拉板截面的削弱，以及提高其橫向的剛度，在板的兩側(cè)焊接了加強(qiáng)板，并和主梁上翼緣板連接。這種錨固方式有傳力途徑明確，構(gòu)造簡(jiǎn)單，工地施工作業(yè)方便等特點(diǎn)。鋼材采用Q37qE。

在錨拉板與主梁的這種接頭形式中，錨拉板焊縫與主梁頂板急劇過渡，接頭在外力作用下力線扭曲很大，易造成應(yīng)力分布不均勻，焊縫處載荷應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力集中程度較大，當(dāng)焊縫根部或過渡處存在缺陷時(shí)，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的疲勞應(yīng)力影響會(huì)產(chǎn)生疲勞斷裂。此外，由于各板件厚度大焊縫多，焊接過程中的焊接殘余應(yīng)力問題比較突出。

為了研究此類構(gòu)件接頭區(qū)域焊接殘余應(yīng)力的大小及分布情況，專門制作了3個(gè)足尺比例試驗(yàn)構(gòu)件，通過對(duì)這3個(gè)試件的鋼錨拉板與工字梁連接區(qū)域焊縫殘余應(yīng)力測(cè)試，以及超聲波沖擊后焊接殘余應(yīng)力變化情況的試驗(yàn)研究，以確定焊后殘余應(yīng)力的大小及分布規(guī)律，明確超聲沖擊方法對(duì)焊接殘余應(yīng)力的消除的作用及效果。

焊接應(yīng)力是一種無載荷作用下的內(nèi)應(yīng)力，因此會(huì)在焊接內(nèi)部自相平衡，在焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力，而在距焊縫稍遠(yuǎn)區(qū)段的母材內(nèi)產(chǎn)生與之相平衡的殘余壓應(yīng)力。焊縫的拉應(yīng)力對(duì)焊縫的疲勞將產(chǎn)生非常不利的影響，這是本次研究的對(duì)象，而殘余壓應(yīng)力對(duì)焊縫沒有不利的影響，此次測(cè)試以焊縫的殘余拉應(yīng)力為主要對(duì)象。測(cè)試采用磁測(cè)法。3個(gè)試件編號(hào)分別為CJ1、CJ2、CJ3。

3個(gè)研究試件中共設(shè)置43個(gè)焊接應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)，其中A焊縫為錨拉板與鋼主梁上翼緣的連接焊縫，構(gòu)件上對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)編號(hào)為A1、A2，......，A10。B焊縫為錨拉板與其加強(qiáng)板之間的連接焊縫，對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)編號(hào)為B1、B2、......、B7。

試驗(yàn)結(jié)果分析

從焊接殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果中可以看出橫向應(yīng)力σ_x與主應(yīng)力σ₂、縱向應(yīng)力σ_y與主應(yīng)力σ₁，在大多數(shù)測(cè)點(diǎn)上較為接近，若只考慮平面則縱向、橫向應(yīng)力的方向就近似為主應(yīng)力的方向。

從圖1可以看出，各試件的A焊縫在位于端部處殘余應(yīng)力值較小，然后大幅增長(zhǎng)，距離焊縫端部400-450mm后焊接應(yīng)力值波動(dòng)較小，在較高的應(yīng)力水平上基本穩(wěn)定，形成了一個(gè)高殘余應(yīng)力平臺(tái)段。例如，試件CJ1的A3-A10段，CJ2的A4-A7段及CJ3的A3-A6段。3個(gè)試件的平臺(tái)段縱向焊接殘余應(yīng)力平均值分別為338、349、347MPa，均達(dá)到了Q370qE鋼材屈服強(qiáng)度的90%以上。由資料可知平臺(tái)段的長(zhǎng)度是隨著焊縫的長(zhǎng)度同步增長(zhǎng)，而殘余應(yīng)力上升段根據(jù)不同的板厚在達(dá)到一定數(shù)值后將不再繼續(xù)增長(zhǎng)。因此A焊縫除去兩端部小部分的焊接應(yīng)力較小段和上升段外，大部分區(qū)段的縱向殘余應(yīng)力都處于屈服強(qiáng)度的90%左右的水平，這將對(duì)焊接接頭性能與構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生很大的不利影響。

B焊縫的縱向殘余應(yīng)力分布規(guī)律與焊縫相同，但焊接殘余應(yīng)力水平明顯低于A焊縫。這是因?yàn)檫B接B焊縫的兩塊鋼板較A焊縫的薄。3個(gè)試件焊縫的殘余應(yīng)力升高段為距焊縫端部為250-300mm，距端部300mm后形成高殘余應(yīng)力平臺(tái)段，比A焊縫平臺(tái)段縱向殘余應(yīng)力平均降低了18%。

除了焊縫的分布特點(diǎn)外，節(jié)點(diǎn)的局部構(gòu)造情況對(duì)焊縫應(yīng)力也有明顯的影響。在試件主梁上翼緣與錨拉板局部連接處，是截面突變的地方，也是內(nèi)力變化*大的地方，最容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的綜合考慮，錨拉板截面在此做了曲線型的平滑過渡，大大的降低了應(yīng)力集中的影響。圖1中的3個(gè)試件A1點(diǎn)的平均應(yīng)力為168MPa，是上述3個(gè)試件平臺(tái)段平均應(yīng)力的48.7%，表明錨拉板在這里的局部構(gòu)造非常重要，曲線型的平滑過渡對(duì)降低焊接殘余應(yīng)力起到非常重要的作用。

此次實(shí)驗(yàn)研究采用了超聲波沖擊工藝消除焊接殘余應(yīng)力，經(jīng)過超聲沖擊后，A、B焊縫的大部分測(cè)點(diǎn)σ_y方向平均應(yīng)力下降65%，不少測(cè)點(diǎn)的焊接殘余應(yīng)力從拉應(yīng)力變?yōu)榱藟簯?yīng)力。由此可見，超聲沖擊可大幅度削減殘余應(yīng)力的峰值，并能使焊接應(yīng)力分布更趨合理化，從根本上改善焊縫及結(jié)構(gòu)連接的受力狀態(tài)。