[科普中国]-焊接钢梁

焊接钢梁是组合梁的一种，常用的焊接钢梁为由上、下翼缘板和腹板组成的工形截面和箱形截面，后者较费料，且制作工序较繁，但具有较大的抗弯刚度和抗扭刚度，适用于有侧向荷载和抗扭要求较高或梁高受到限制等情况。1

焊接理论焊接是一个将焊件局部快速加热到高温，并随后快速冷却的过程。随着热源的移动，整个焊件的温度随着时间和空间剧烈变化，材料的热物理性能也随着温度急剧变化，同时还存在熔化和相变时的潜热现象。因此，焊接温度场分析属于典型的非线性瞬态热传导问题。2

疲劳寿命及其参数研究概况20世纪60年代后，焊接技术广泛应用于钢桥等大型钢结构中。随着日益加重的交通运输，许多焊接钢桥出现了疲劳裂纹，于是对这些钢桥疲劳寿命的预测将尤为重要。对于含有缺陷或裂纹的焊接结构，主要研究裂纹扩展寿命，大多采用Paris裂纹扩展公式da/dN=C（△K）m对裂纹扩展寿命展开研究。

焊接钢构件的概率疲劳寿命曲线和概率裂纹扩展速率曲线是进行钢结构疲劳可靠性设计和服役期间剩余疲劳寿命可靠性评估所必须的。3

参数研究大尺寸焊接钢梁的疲劳寿命服从对数正态分布。在裂纹扩展速率表达式中的参数m为定值时，通过裂纹扩展寿命基本公式计算得到的参数C也服从对数正态分布。应用概率断裂力学方法对焊接钢梁在给定可靠度下的疲劳寿命进行预测,得出含有缺陷或裂纹大尺寸构件的疲劳寿命主要是裂纹的扩展寿命。由于钢种对寿命的影响很小，所得结果对于我国钢桥的剩余疲劳寿命可靠性评估有重要的参照价值。3

残余应力分析概况焊接过程的关键通常是使构件局部加热熔化，随后是连续地冷却。由于焊接等局部加热及材料本身受到的约束作用，材料在温度较高时发生了塑性变形或相变，在冷却后被保留了下来，在构件内部形成了一个自相平衡的内应力场，即残余应力场。残余应力的峰值往往达到甚至超过母料的屈服强度，当这些焊接构件投入工程使用中时，它们所受荷载引起的工作应力与其内部的焊接残余应力相互叠加，将导致焊接构件产生二次变形和焊应力重分布，从而降低焊接构件的刚度和稳定性。工程应用中也不乏这种将型钢直接焊接成钢梁或钢架的构件。4

残余应力焊接过程是一个不均匀的加热过程。在施焊时，焊件上产生不均匀分布温度场，不均匀的温度场会产生不均匀的温度膨胀。温度较高处的钢材的膨胀较大，由于两侧温度较低，受到膨胀较小的钢材的限制，产生了热状态塑性压缩。焊缝冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋向于缩的比原始长度稍短，这种缩短变形受到两侧钢材的限制，使焊缝区产生纵向拉应力。焊接残余应力是一种无外荷载作用下的内应力，因此会在焊件内部自相平衡，这就必然在距焊缝稍远区段内产生压应力。此外，由于焊缝纵向收缩，两块10号槽钢趋向于形成反方向的弯曲变形，但实际上焊缝将两块槽钢连成整体不能分开，于是在焊缝中部产生横向拉应力，而在两端产生横向压应力。其次焊缝在施焊过程中，由于先后冷却的时间不同，先焊的焊缝已经凝固，且具有一定的强度，会阻止后焊焊缝再横向的自由膨胀，使其发生横向的压缩变形。当焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力，同时在先焊部分的焊缝内产生横向压应力。1

本词条内容贡献者为:

宋春霖 - 副教授 - 江南大学