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)件的疲勞強度、結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定承載力。所以焊接后要進行消除應(yīng)力處理。采用超聲波去應(yīng)力工藝，消除焊縫殘余應(yīng)力。本文主要是對鋼結(jié)構(gòu)橋梁進行焊接殘余應(yīng)力檢測，了解焊接殘余應(yīng)力大小及分布狀況，并對超聲波處理后的試件進行殘余應(yīng)力測試，評估超聲波時效效果。
磁測法殘余應(yīng)力檢測
本次殘余應(yīng)力檢測方法采用磁測法，此方法屬于無損檢測方法，能測出同一點在不同狀態(tài)下的應(yīng)力情況，既能測平面光滑試樣的應(yīng)力又能測復(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)力磁測系統(tǒng)。
磁測法前期準備工作
磁測法測試前應(yīng)*行靈敏系數(shù)的標定?？赏ㄟ^單向拉壓或4點彎曲實驗確定。正式測試時，應(yīng)先打磨試件焊縫上的測點，然后將測試儀器的一個探頭直接接觸在測點上，另一個探頭放置在預(yù)先標定好靈敏系數(shù)的鋼板上，探頭底部有兩個磁極，通過測定磁導(dǎo)率的變化來確定一點的應(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，必須選用同一測點進行處理前后的焊接殘余應(yīng)力檢測。
大橋構(gòu)件焊接殘余應(yīng)力檢測
某大橋為大跨徑鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋，其主橋跨徑組合為35.5m+186m+436m+186m+35.5m，主橋長度為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。為了補償開孔部分對錨拉板截面的削弱，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)造簡單，工地施工作業(yè)方便等特點。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，當焊縫根部或過渡處存在缺陷時，經(jīng)過長時間的疲勞應(yīng)力影響會產(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個足尺比例試驗構(gòu)件，通過對這3個試件的鋼錨拉板與工字梁連接區(qū)域焊縫殘余應(yīng)力測試，以及超聲波沖擊后焊接殘余應(yīng)力變化情況的試驗研究，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)力對焊縫的疲勞將產(chǎn)生非常不利的影響，這是本次研究的對象，而殘余壓應(yīng)力對焊縫沒有不利的影響，此次測試以焊縫的殘余拉應(yīng)力為主要對象。測試采用磁測法。3個試件編號分別為cj1、cj2、cj3。
3個研究試件中共設(shè)置43個焊接應(yīng)力測試點，其中a焊縫為錨拉板與鋼主梁上翼緣的連接焊縫，構(gòu)件上對應(yīng)的測點編號為a1、a2，......，a10。b焊縫為錨拉板與其加強板之間的連接焊縫，對應(yīng)的測點編號為b1、b2、......、b7。
試驗結(jié)果分析
從焊接殘余應(yīng)力檢測結(jié)果中可以看出橫向應(yīng)力σx與主應(yīng)力σ2、縱向應(yīng)力σy與主應(yīng)力σ1，在大多數(shù)測點上較為接近，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，距離焊縫端部400-450mm后焊接應(yīng)力值波動較小，在較高的應(yīng)力水平上基本穩(wěn)定，形成了一個高殘余應(yīng)力平臺段。例如，試件cj1的a3-a10段，cj2的a4-a7段及cj3的a3-a6段。3個試件的平臺段縱向焊接殘余應(yīng)力平均值分別為338、349、347mpa，均達到了q370qe鋼材屈服強度的90%以上。由資料可知平臺段的長度是隨著焊縫的長度同步增長，而殘余應(yīng)力上升段根據(jù)不同的板厚在達到一定數(shù)值后將不再繼續(xù)增長。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)力都處于屈服強度的90%左右的水平，這將對焊接接頭性能與構(gòu)件的疲勞強度產(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。這是因為連接b焊縫的兩塊鋼板較a焊縫的薄。3個試件焊縫的殘余應(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)力平臺段，比a焊縫平臺段縱向殘余應(yīng)力平均降低了18%。
除了焊縫的分布特點外，節(jié)點的局部構(gòu)造情況對焊縫應(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個試件a1點的平均應(yīng)力為168mpa，是上述3個試件平臺段平均應(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降低焊接殘余應(yīng)力起到非常重要的作用。
此次實驗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焊縫的大部分測點σy方向平均應(yīng)力下降65%，不少測點的焊接殘余應(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)。