1、焊接残余应力对 T 形钢异形柱抗火性能的影响摘要：本文设计了一根长为 800mm 的焊接型 T 形钢异形柱，通过盲孔法测量其焊接残余应力，并通过测量数据确定焊接残余应力在 T 形钢异形柱中的分布规律 。采用 ANSYS 有限元分析软件对高温下的 T 形钢异形柱抗火性能进行有限元数值模拟，将有残余应力的模型与无残余应力的模型的模拟结果进行对比，确定焊接残余应力对 T 形钢异形柱临界温度的影响。 关键词：T 形钢异形柱；焊接残余应力；抗火；临界温度 中图分类号：TU391；文献标志码：A 0 引言 鉴于钢材的焊接是一个不均匀加热和冷却的过程，焊接过程中 T 形钢异形柱焊缝周围难免会出现不均匀温度场
2、。低温度区域膨胀量会限制高温区域的膨胀，一旦钢材冷却，焊缝周围就会产生焊接残余应力1。焊接残余应力与作用荷载共同施加于试件，可能会导致局部钢材提前达到屈服点，T 形钢异形柱局部区域就会提前进入塑性阶段，对异形柱结构的刚度和承载力造成很大影响2。一旦结构发生火灾，高温环境下焊接残余应力的存在会削弱整个结构的承载能力，对建筑结构安全造成很大威胁。 焊接残余应力的测量 1.1 试件的设计 依据钢结构设计规范 （GB50017-2003） ，本文设计制作了一根 T形钢异形柱，试件长为 800mm（如图 1） ，截面尺寸见图 2。该试件所用钢号为 Q345B，厚为 8mm，焊接工艺为自动埋弧焊，焊角尺寸
3、同为 8mm。 图 1 T 形钢异形柱试件图 2 截面尺寸 1. 2 测量过程 T 形钢异形柱是由三块相同的翼缘和两块腹板组成，鉴于翼缘的尺寸和焊接方法相同，其焊接产生的残余应力分布也一致，所以本试验只检测一块翼缘的残余应力分布。每块板件布置 5 个测点（如图 3） ，每个测点在板件长度方向间隔 150mm，板件宽度方向间隔为 b/4(b 为板件宽度)，翼缘和腹板总计 15 个测点。 图 3 板件测点布置 图 4 测量过程 该试验采用的打孔设备为 HTZ-12 型万能精密打孔装置，该设备钻头为直径 1.5mm 的含钴钻头，钻孔精度较高，钻孔深度为 1.5d（d 为钻头的直径） 。采集设备为 H
4、T21B 型便携式数字残余应力检测仪，测量设备为三轴应变花，三个方向分别是 0，45， 90。在测点处粘贴应变花，打孔并释放残余应变，然后根据残余应变释放量计算残余应力大小，测量过程见图 4。 焊接残余应力测试结果及分析 测试结果及焊缝方向的残余应力值见表 1。 表 1 测试结果及焊缝方向残余应力 表中为最大主应力值，为最小主应力值，为最大主应力与应变片参考轴的夹角。Y-1Y-5 为翼缘板从低端到顶端的编号，F1-1F1-5 为腹板 1 从低端到顶端的编号，F2-1F2-5 为腹板 2 从低端到顶端的编号。根据表 1 中所测得的数据，按照公式（1）计算得到各测点沿 T 形钢异形柱长度方向的应力
5、值（单位是） ，见表 2。 （1） 表 2 各测点沿异形柱长度方向的应力值 常用的残余应力分布模型有两种，抛物线模型3和 LEHIGH 模型4，通过大量研究证明，抛物线分布模型更符合焊接残余应力的实际分布。钢结构基础5给出了典型的残余应力截面分布图，本文所测 T 形钢异形柱 Z 轴方向的焊接残余应与理想状态下的残余应力分布有差异：翼缘测点 Y-1 和 Y-5 所测应力为正值，但理想状态下此测点应为负值。其它板件的应力分布趋势基本符合相关截面的残余应力分布。 3 焊接残余应力对 T 形钢异形柱抗火性能的影响 3.1 有限元的数值模拟 本文对有焊接残余应力的 T 形钢异形柱模型进行 ANSYS 有
6、限元分析时，将焊接残余应力作为结构的体荷载施加在异形柱模型的各单元上。鉴于焊接残余应力沿 T 形钢异形柱焊缝长度方向的变化不大，本文假设焊接残余应力在 T 形钢异形柱长度方向均匀分布。 要实现 T 形钢异形柱焊接残余应力在 ANSYS 中的施加，首先要通过GET 命令提取异形柱的各结构单元，将残余应力测量值编辑建立初应力文件6，然后利 LSFILE 命令将残余应力初始文件施加在结构模型各个单元的积分点处。施加残余应力后的结构模型应力云图见图 5，由图可知，焊接残余应力在 T 形钢异形柱上呈带状分布，并在柱长度方向上分布均匀。 图 5 焊接残余应力结构模型 本文分别在轴心受压和偏心受压两种情况下
7、对 T 形钢异形柱进行数值模拟，并通过数值模拟结果对比分析有无焊接残余应力对其临界温度的影响。柱 1柱 7 是轴心受压，通过改变其轴向压力值，对比不同轴向荷载作用下焊接残余应力的影响；柱 8柱 13 是偏心受压，在恒定轴力下通过改变偏心距，对比不同弯矩下焊接残余应力的影响。轴心受压模型组合参数及结果见表 3，偏心受压模型组合参数及结果见表 4。 表 3 轴压结果对比 表 4 偏压结果对比 3.2 模拟结果及分析 本文首先对轴压荷载下的有残余应力和无残余应力的 T 形钢异形柱模型进行数值模拟，绘制其变化规律见图 6（a） ，然后对偏心荷载下的有残余应力和无残余应力的 T 形钢异形柱模型进行数值模
8、拟，其变化规律图见 6（b） 。 （a） （b） 图 6 有无残余应力临界温度对比 通过图 6 可知：焊接残余应力影响 T 形钢异形柱的临界温度，在相同荷载条件下，有焊接残余应力的异形柱临界温度低于无焊接残余应力异形柱的临界温度。当 T 形钢异形柱荷载比较小时，相同条件下，有无焊接残余应力的临界温度差值为 20 -40；当 T 形钢异形柱荷载比较大时，相同条件下，有无焊接残余应力的临界温度差值为 50-100。 4 结论 本文首先测量 T 形钢异形柱的焊接残余应力，然后采用 ANSYS 有限元分析软件对高温下的 T 形钢异形柱抗火性能进行有限元数值模拟，并确定焊接残余应力对 T 形钢异形柱临界
9、温度的影响，通过分析得出以下结论： （1）T 形钢异形柱板件的应力分布趋势与理想状态下的残余应力分布有差异，但基本符合相关截面的残余应力分布。 （2）焊接残余应力影响 T 形钢异形柱的临界温度，在相同荷载条件下，有焊接残余应力的异形柱临界温度低于无焊接残余应力异形柱的临界温度。 （3）当 T 形钢异形柱荷载比较小时，相同条件下，有无焊接残余应力的临界温度差值为 20- 40。 （4）当 T 形钢异形柱荷载比较大时，相同条件下，有无焊接残余应力的临界温度差值为 50-100。 参 考 文 献(References)： 1宋天民. 焊接残余应力的产生与消除. 北京：中国石化出版社，2004 2 陈
10、绍藩. 钢结构设计原理与设计. 北京：科学出版社，1998.7587 3S. S. Kitipornchai, C. M. Wang, N. S. Trahair. Buckling of monosymmetric l-beams under moment gradient. ASCEJ. Struct. Div. 1986.4, Vol.112:781799 4A. W. Huber, L .S.Beedle. Residual stress and the compressive strength of steel. Weld. J, 1954, Vol. 33:589624 5陈绍藩. 钢结构基础. 北京：中国建筑工业出版社，2002 .8688 6谢贻权. 何宝福等弹性和塑性力学中的有限元法M. 北京：机械工业出版社，1987
