残余应力与边界条件耦合作用对H型钢柱构件承载能力的影响

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焊接残余应力对钢构件受力性能的影响

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图１（截面翼缘残余应力分布ａ）
（截面受力状态ｂ）
在外力作用下，其截面应力是由外荷载引起的截面应力叠加截面的残余应力，从而使截面在ｏＮＡｒ／＝时处于弹性状态，构件发生弯曲失稳时的临界力为欧拉临界：￣２ｒｌ２Ｎ＝７／，相应的Ｅｌ
临界应力ｏ＝ｒＩ当ｏＮＡ≥ 一，ｒＴＥＡ。ｒ／ｏ时部分截面将会提前屈￣２＝ｒ服，进入塑性变形状态，使整个截面呈现出弹性区和塑性区（见图１ｂ），（）随着外荷载增大，面上塑性区变形增大，应力截但不增加。抵抗外荷载只由弹性区截面承担，整个截面的有效惯性矩变成截面弹性区的惯性矩，此时的临界应力为：＝ｌＦＴＥ，Ｉ
Ｋｅｒｓｒｓｄａｔｅｓｓ；ｌｓｃｄｆｒｔｎ；ｉｔｉｕｅｓｄａｔｅｓ；ｔｓｅｆｒａｃｙｗｏｄ：ｅｉｕｓｒｓｅｐａｔｅｏｍａｉｌｉｏｄｓｒｔｄｒｉｕｓｒｓｅｓｒｓｐｒｏｎｅｂｅｌｓｅｍ
０前
言
钢结构具有强度高、自重轻、塑性好、抗震性能好及施工速度快等优点，因而钢结构广泛用于单层厂房、大跨及高层建筑。
，
时为止。由于截面残余应力为自相平衡应力分布，故静力荷载相等，即残余应力不会降低构件的静力强度。但是塑性材料在
一
定条件下会失去塑性，变成脆性或者构件材料塑性较低，残
余应力将会影响构件的静力强度。因为构件无足够的塑性变形产生，在加载过程中应力峰值不断增加，至达到材料强度极直限后发生破坏，因而残余应力对其有影响。

浅谈焊接残余应力对结构的影响

浅谈焊接残余应力对结构的影响【摘要】残余应力的存在虽然不会影响结构的静态承载能力，但仍然会引起一些问题，比如结构会由于焊接初始缺陷，导致在低应力下裂纹扩展而导致脆性破坏。

本文选取焊接残余应力为研究对象，分析残余应力下构件或结构的刚度、低温冷脆、疲劳强度，并讨论残余应力给它们带来的影响。

【关键词】残余应力；焊接结构；影响0.引言焊接残余应力简称焊接应力，它是一种无荷载作用下的内应力。

由于焊接的过程是一个不均匀加热和冷却的过程，在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，不均匀的温度场产生不均匀的膨胀，由此就形成了残余应力。

残余应力的存在对结构的刚度、受压构件的承载力、低温冷脆以及疲劳强度均会有一定的影响。

1.焊接残余应力的分类及产生的原因焊接过程是一个对焊件局部加热继而逐渐冷却的过程，焊件由于焊接而产生的内应力我们称之为焊接应力，对于钢结构而言，焊接残余应力和变形是影响结构断裂强度、疲劳强度和结构稳定性的重要因素。

从焊缝的方向，焊接残余应力可以分为三类：1.1沿焊缝长度方向的纵向焊接应力施焊时，焊缝附近温度最高，在焊缝区以外，温度则急剧下降。

由于不均匀温度场的影响，温度高的钢材膨胀大，但受到周围温度较低、膨胀量较小的钢材所限制，产生了热塑性压缩；焊缝冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋向内收缩，但受到周围钢材限制而产生收缩应力，这是垂直于焊缝方向的纵向拉应力就是纵向焊接应力。

此时，由于焊件不受约束，焊接产生的应力是自相平衡的应力，即由于在焊缝附近出现收缩拉应力，则必然会在距焊缝稍远区段内产生压应力，可以把纵向焊接应力的这种分布规律简称为“热拉冷压”。

1.2垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力横向焊缝产生的原因有两个：一是由于焊缝纵向收缩，使得被焊接的两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形，但实际上焊缝将两块钢板连成整体，不能分开，于是两块钢板的中间会产生横向拉应力，而两端则产生压应力；二是由于先焊的焊缝已经凝固，会阻止后焊焊缝在横向自由膨胀，使其发生横向塑性压缩变形。

试析焊接残余应力对钢结构性能的影响作用

试析焊接残余应力对钢结构性能的影响作用作者张红随着社会经济及科学技术的发展，钢结构以其材料强度高、自重轻、延性及抗震性好、工业化程度高、施工速度快等多个优点在现代化建设中得到了广泛的应用。

钢结构是利用钢材设计制作成构件后通过一定的连接方式将构件连接形成的，焊接是常用的钢构件连接方法，焊接过程中产生的焊接残余应力对钢结构有着较大的影响，是实际工程中需关注的主要问题之一。

1焊接残余应力的产生原因焊接残余应力产生的主要原因是焊接过程中的局部不均匀热输入。

按应力分布形式分以下三种：1.1纵向残余应力沿焊缝长度方向的残余应力称为纵向残余应力（如下图1）,钢材焊接是一个不均匀的加热和冷却过程，在焊接时，温度很高的焊缝及其附近区域和温度较低的临近区域会产生不均匀的温度场，进而产生不均匀的膨胀，低温度区的钢材膨胀小，限制高温度区钢材膨胀，产生热塑性压缩，冷却时，焊缝两侧钢材又会限制塑性压缩引起的焊缝缩短，产生纵向拉应力，由于焊接残余应力是一种内应力，无荷载作用，需要在焊件内部自相平衡，从而导致焊件上距焊缝稍远产生压应力。

图1纵向残余应力分布图2横向残余应力分布1.2横向残余应力横向残余应力是指垂直于焊缝方向的残余应力（如上图2）,受到塑性压缩焊缝的纵向收缩可使焊缝两侧的钢板形成反向弯曲变形，在两块钢板间会产生横向的拉应力，同时钢板的两端形成压应力；焊接时，焊缝焊接的先后顺序不同，先焊接的焊缝先凝固，可限制后焊接焊缝的膨胀，引起横向塑性压缩变形，冷却时，先焊接已凝固的焊缝限制后焊接焊缝的收缩形成横向拉应力，同时最后焊接的焊缝末端产生拉应力，两块钢板间的横向拉应力及两端的压应力与先焊接焊缝的横向拉应力及焊缝末端的拉应力合成最终形成焊缝的横向应力。

1.3沿厚度方向的残余应力焊件采用厚钢板时，焊接时需要多层施焊，由于焊接时不同厚度方向的温度分布不均匀，冷却时表面冷却较中间快，可在焊缝中间层形成拉应力，在外层形成压应力，从而形成除纵向和横向残余应力外的沿厚度方向的残余应力。

初弯曲和残余应力对箱型钢柱稳定极限承载力的影响

四川建筑科学研究Sichuan Building Science 第34卷　第3期2008年6月收稿日期:2007205214作者简介:李海锋(1983-),男,山东郓城人,硕士研究生,主要从事大跨度钢屋架结构研究。

E -ma il:lihai_feng@初弯曲和残余应力对箱型钢柱稳定极限承载力的影响李海锋,曹平周,韦芳芳(河海大学土木学院,江苏南京　210098)摘　要:采用有限元方法分析了初弯曲和残余应力对常用长细比范围内箱型钢柱稳定极限承载力的影响,同时考虑了几何非线性和材料非线性,并通过荷载—位移曲线确定箱型钢柱受压稳定极限承载力。

通过分析得出,初弯曲对箱型钢柱轴心受压稳定极限承载力影响较大,残余应力的影响相对较小,当既有初弯曲又有残余应力时,柱的稳定极限承载力将大为下降。

这可以为今后实际工程中箱型钢柱的设计和计算提供一定的参考。

关键词:初弯曲;残余应力;箱型柱;稳定中图分类号:T U312 文献标识码:A 文章编号:1008-1933(2008)03-030-04Effect of ulti m ate st ability capacity of steel boxi n g colu mn with resi dual stress and i n duced bendi n gL I Haifeng,Pingzhou,W E I Fangfang(College of Civil Engineering,Hehai University,Nanjing 210098,China )Abstract:It is analyzed the effects of ulti m ate stability capacity of steel boxing colu mn with induced bending or residual stress in the frequent slenderness rati o range .The l oad 2dis p lace ment curve is p ictured by finite ele ment method which considers geometry πs and material πs nonlinear in order t o definite the steel boxing colu mn πs ulti m ate stability capacity .It is shown that the induced bending has greater influence than residual stress πinfluence on steel boxing colu mn πs ulti m ate stability capacity and the influence of residual stress become more obvi ous when the steel boxing colu mn has residual stress .And it p r ovides the reference t o design and calculate the ne w actual steel boxing colu mn p r ojects .Key words:induced bending;residual stress;steel boxing colu mn;stability0　引　言近年来,随着钢产量的不断提高,钢结构在建筑结构应用中的比重也在不断增大。

焊接残余应力对钢结构节点承载力影响

2 第一章绪论硕士研究生学位论文1.2焊接残余应力的概念　焊接构件由焊接而产生的内应力称之为焊接应力，按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。

焊接过程中，某一瞬时的焊接应力称之为焊接瞬时应力，它随时间而变化焊后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力[4]。

在冷焊、扩散焊、滚轧敷层和爆炸敷层等情况下，冷加工作用力是残余应力的源泉，它可单独作用，也可能附加于上述热效应之上。

在焊接过程中，焊接区以远高于周围区域的速度被急剧加热，并局部熔化。

焊接区材料受热而膨胀，热膨胀受到周围较冷区域的约束，并造成弹性热应力，受热区温度升高后屈服极限下降，热应力可部分超过该屈服极限。

结果焊接区形成了塑性的热压缩，冷却后，比周围区域相对缩短、变窄或减小。

因此，这个区域就呈现拉伸残余应力，周围区域则承受压缩残余应力。

冷却过程中的显微组织转变会引起体积的变化，如果这种情况发生在较低的温度，而此时材料的屈服极限足够高，则会导致焊接区产生压缩残余应力，周围区域承受拉伸残余应力。

可以运用以下的经验法则判别产生焊接残余应力构件受力情况：最后冷却的区域以热应力为主时，呈现焊接拉伸应力；而以相变应力为主时，呈现焊接压应力[5]。

1.3焊接残余应力产生的原因　焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。

焊接应力按其发生源来区分，有如下3种情况：(1)直接应力这是进行不均匀加热和冷却的结果，它取决于加热和冷却时的温度梯度，是形成焊接残余应力的主要原因。

(2)间接应力这是由焊前加工状况所造成的压力。

构件若经历过轧制或拉拔时，都会使之具有此类残余应力。

这种残余应力在某种场合下会叠加到焊接残余应力上去，而在焊后的变形过程中，往往也具有附加性的影响。

另外，焊件受外界约束产生的附加应力也属于此类应力。

(3)组织应力这是由组织变化而产生的应力，也就是相变造成的比容变化而产生的应力。

它虽然因含碳量和材料其它成分不同而有异，但一般情况下，这种影响必须要加以考虑的是，发生相变的温度和平均冷却速度。

焊接残余应力对构件的危害

焊接残余应力对构件的危害是1、对结构刚度的影响当外载产生的应力与结构中某区域的残余应力叠加之和达到屈服点时，这一区域的材料就会产生局部塑性变形，丧失了进一步承受外载的能力，造成结构的有效截面积减小，结构的刚度也随之降低。

2、对受压杆件稳定性的影响当外载引起的压应力与残余应力中的压应力叠加之和达到屈服点口。

，这一部分截面就丧失进一步承受外载的能力。

这就削弱了构件的有效截面积，并改变了有效截面积的分布，降低了受压杆件的稳定性。

3、对静载强度的影响没有严重应力集中的焊接结构，只要材料具有一定的塑性变形能力，残余应力不影响结构的静载强度。

反之，如材料处于脆性状态，则拉伸残余应力和外载应力叠加有可能使局部区域的应力首先达到断裂强度，导致结构早期破坏。

4、对疲劳强度的影响残余应力的存在使变载荷的应力循环发生偏移。

这种偏移，只改变其平均值，不改变其幅值。

结构的疲劳强度与应力循环的特征有关，当应力循环的平均值增加时，其极限幅值就降低，反之则提高。

因此，如应力集中处存在着拉伸残余应力，疲劳强度将降低。

5、对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响机械加工把一部分材料从焊件上切除时，此处的残余应力也被释放。

残余应力原来的平衡状态被破坏，焊件发生变形，加工精度受影响。

6、对应力腐蚀开裂的影响应力腐蚀开裂是拉伸残余应力和化学腐蚀共同作用下产生裂纹的现象，在一定材料和介质的组合下发生。

应力腐蚀开裂所需的时间与残余应力大小有关，拉伸残余应力越大，应力腐蚀开裂的时间越短。

焊接残余应力消除方法有：利用锤击焊缝区来控制焊接残余应力焊后用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属展开，能有效地减少焊接残余应力。

利用预热法来控制焊接残余应力构件本体上温差越大，焊接残余应力也越大。

焊前对构件进行预热，能减小温差和减慢冷却速度，两者均能减小焊接残余应力。

利用“加热减应区法”来控制焊接残余应力焊接时，加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，就能减小焊接应力，这种方法称为“加热减应区法”，加热的部位就称之为“减应区”。

残余应力对双轴对称工字形钢梁稳定承载能力的影响

残余应力对双轴对称工字形钢梁稳定承载能力的影响本文以残余应力为研究对象，基于非线性有限元理论，通过变化构件腹板，翼缘的残余应力峰值，从荷载-位移曲线、承载力的发展等方面入手，讨论了残余应力对双轴对称工字型钢梁稳定承载能力的影响。

标签：残余应力；工字型钢梁；稳定承载能力1 引言钢结构中的残余应力是由于构件在生产和制作过程中产生不均匀变形引起的。

由于生产工艺不同，形成的残余应力性质也不尽相同。

残余应力的存在会降低截面抗侧向刚度和构件平面内整体抗弯刚度，导致构件发生整体弯扭屈曲；残余应力的存在也会使局部板件提早进入塑性阶段，降低板件抗弯刚度，导致板件过早发生局部屈曲。

也有可能两者兼有，影响板件局部与构件整体的相关屈曲性能。

2 计算模型为清楚的说明残余应力对工字形钢梁稳定承载能力的影响，本文对梁两端的约束作了特殊处理。

梁一端约束Ux，Uy，Uz三个自由度，而另一端约束Uy，Uz两个自由度。

在考虑局部初始几何缺陷及非线性的条件下对构件的一端施加轴向荷载。

计算模型见图1。

材料假定为理想弹塑性体，屈服强度为235MPa，泊松比=0.3。

假定构件整体初始几何缺陷为一阶屈曲模态，峰值为0.001的构件长度；忽略局部初始几何缺陷。

构件纵向为z轴，腹板高度方向为y轴，腹板平面外方向为x轴，坐标系原点定义在梁一端的质心。

3 残余应力在ANSYS中的模拟（见图2）把残余应力编成初应力文件输入到ANSYS中。

所选单元为Shell181，沿厚度方向有5个非标准积分点，假设沿厚度方向残余应力无变化。

初应力文件如下：其中6个值分别代表了单元5个积分点的应力分量。

应力分量的方向根据单元坐标系来确定，SY就是代表全局坐标系中的残余纵向应力。

在模型中，翼缘分为10个单元，腹板分为25个单元，沿y方向分为50个单元。

4 计算分析为分析残余应力峰值对双轴对称工字型钢梁稳定承载能力的影响，取一组构件考虑三种残余应力分布情况进行比较分析。

构件尺寸：翼缘宽度200mm；翼缘厚度12mm；腹板高度500mm；腹板厚度8mm；构件长度4000mm。

残余应力对双轴对称工字形钢梁稳定承载能力的影响

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科技创新与应用ｆ２０１３年第３期
工业技术
残余应力对双轴对称工字形钢梁稳定承载能力的影响
邹唯玮
（中冶华天工程技术有限公司，江苏南京２１００１９）摘要：本文以残余应力为研究对象，基于非线性有限元理论，通过变化构件腹板，翼缘的残余应力峰值，从荷载一位移曲线、承载
力的发展等方面入手，讨论了残余应力对双轴对称工字型铜梁稳定承载能力的影响。关键词：残余应力；工字型钢梁；稳定承载能力
３个构件达到极限承载力时平面内最大位移点全过程荷载一位移曲线见图３。综合以上三条曲线，可以得到以下结论：１）纵向残余应力对构件抗弯刚度的影响较小，残余应力的存在并没有显著降低构件侧向刚度。２）残余应力使构件提早进入塑性阶段，降低了变形模量，降低构件的屈曲荷载。即构件截面的优先惯性矩只是截面弹性区的惯性矩Ｉｅ，而构件的抗弯刚度将由ＥＩ降低至ＥＩｅ。３）不同残余应力分布对于轴心受压构件屈曲荷载的影响有很大差异，其中以性能。位于截面外侧且具有很高残余应力峰值的对屈曲荷载的影响最为２计算模型显著。４）残余应力对构件强轴与弱轴的影响不同。为清楚的说明残余应力对工字形钢梁稳定承载能力的影响，本 ②极限承载力当构件受到静荷载作用时，构件截面上由外荷载产生的压应力与残余应力相互叠加，使构件出现不均匀应力分布，随着外荷载的不断增加，高应力区先达到屈服区而进入塑性状态。当外荷载继续增加时，新增的荷载只能由未达到屈服点的弹性区承担，随着外荷载的不断增加，塑性区不断扩大，直到全截面应力达到屈服点。这时，构件的承载力Ｎ与没有残余应力的承载力完全一样。残余挣应力使残余拉应力区屈服较晚，残余压应力使残余压应力区屈服较

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Ｂｉｎ，ｅｉｇ１０８，ｈｎ）ｅｉｇＢｉｎ００３Ｃｉａｊｊ
【摘
要】Ｈ型钢构件在生产过程中将不可避免的产生残余应力，而残余应力的存在将极大地影响
构件的承栽能力。采用盲孔法测试了大Ｈ型钢构件的残余应力分布，据对大型Ｈ型钢构件的残余应根
ｏｎｂａｉｇｃｐｃｔｆＨｂａｅｒａａｉｏｅｍｎｙ
ＷＡＮＧ－ｐｎＺＡＮＧｎＷＵ－ｎＹｉｉｇ，Ｙｏｇ，Ｄｉｐｉｇ
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第１期１
２１年１０１１月
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机械设计与制造
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文章编号：０１３９（０１１－０５０１０ — ９７２１）１０８— ３
女先进制造技术
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残余应力与边界条件耦合作用对Ｈ型钢柱构件承载能力的影响：｝：
王轶平臧勇吴迪平（北京科技大学机械工程学院，北京１０８）００３
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力测试结果在有限元模型中引入不同残余应力分布和边界条件，讨论了残余应力与边界条件耦合作用
对构件承载能力的影响。结果表明对于不同的边界条件和残余应力分布，Ｈ型钢柱构件的承载能力表现出不同的敏感性，该结果对Ｈ型钢结构设计具有一定的指导作用。
关键词：Ｈ型钢；边界条件；承载能力；限单元法有
ｓｎｉｖｙｏｅｒｇｃａｉａｉｉｉｅｅｔｏｎａｙｃｎｉｏｓｗｉｉｅｈｌｕｆｒｅｉｅｔｉｂａｉａｃｔｖｒｓｗｔｄｆｒｎｕｄｏｄｔｎ，ｈｃｗｌｂｅｆｌｏｓｎＨｓｉｔｆｎｐｙｅｈｆｂｒｉｈｌｐｄｇ
中图分类号：Ｈ１，Ｕ３１文献标识码：Ｔ６Ｔ９Ａ
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Ｈ型钢构件在生产过程中不可避免的产生残余应力及陛能不均。国内外关于残余应力等物理参数及其形态对构件承载能力的研
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究，大多是引入Ｌｈｈ学所测试的Ｈ型钢残余应力模型和一些ｅｉＩｇ￣呔科研人员喂据ＬｅｅБайду номын сангаас的残余应力模型简化得到的抛物线模型，并在
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单一边界条件下讨论残余应力的影响。但是，前人的研究中由于
未针对大型Ｈ型钢构件进行实际残余应力测试，在讨论过程中对各处残余应力幅值多是根据国外数据进行的假设，且研究中未考虑
边界条件的不同带来的影响，结果也具有一定的局限Ｊ因此，生。根据
图１盲孑法残余应力测量原理图Ｌ