观音岩大桥构件焊缝残余应力测试

在大跨径钢结构桥梁中，构件由于受力大，采用厚钢板的情形越来越多；此外构件与构件间的连接接头以及重要节点的节点板也由于其传力大，越来越趋于采用厚钢板，因而桥梁结构中的连接焊缝越来越复杂，焊接完成后在焊缝区域和热影响区产生的焊接残余应力问题越来越突出。结构构件在制造过程中留下的残余应力是产生变形和开裂等工艺缺陷的主要原因，将直接影响到焊接构件的疲劳强度、结构的刚度和稳定承载力［33-34］。因此在钢结构桥梁的构件制作和现场安装过程中，残余应力的水平、性质及分布情况是设计、制造和使用者共同关心的问题，准确测量出构件的残余应力就显得十分重要。及时对焊接完成后的焊缝进行应力检测，了解焊接残余应力的大小及分布规律，一方面可为后续的消除残余应力技术方案提供可靠的科学数据；另一方面对消除残余应力工艺后的焊缝进行应力检测，可掌握焊缝应力重分布情况，明确处理后的效果，对提高焊缝的疲劳强度、保证构件的制作质量、满足结构的受力安全，有着重要的意义。

7.5.1.1　磁测法的应用情况及测前的准备工作

磁测法目前已经在三峡工程的钢闸门、北京西站钢门楼主桁架、石油化工设备中的球罐等项目中得到应用，但在大跨径钢结构桥梁构件焊接应力的测试中还没有应用的报道资料。

采用磁测法测试前，首先要进行灵敏系数的标定。可通过单向拉压或4点弯曲实验确定。正式测试时，首先将试件焊缝上的测点经过打磨，然后将测试仪器的一个探头直接接触在测点上，另一个探头则放在预先标定好灵敏系数的钢板上，探头底部有两个磁极，通过测量磁导率的变化来确定一点的应力状态。

对于须进行消除应力工艺处理的焊缝，必须选用同一测点对焊接残余应力进行测试，以便确定工艺处理后的效果是否满足要求。

7.5.1.2　试件概况

重庆江津观音岩长江大桥［32］为大跨径钢结构斜拉桥，其主桥跨径组合为35.5 m＋186 m＋436m＋186 m＋35.5 m，主桥长879 m。斜拉索在钢梁上的锚固采用了锚拉板结构形式（图7-64）。锚拉板焊接于主梁上翼缘顶板，锚管嵌于锚拉板上部的中间，两侧用焊缝与锚拉板连接，中部除开孔安装锚具外，尚须连接上下两部分。为了补偿开孔部分对锚拉板截面的削弱，以及增强其横向的刚度，在板的两侧焊接了加强板，并和主梁上翼缘板连接，各板件厚度情况见表7-9。这种锚固方式具有传力途径明确、构造简单、工地施工作业方便等特点。钢材采用Q370qE。

图7-64　锚拉板与主梁连接试件

表7-9　试件主要板件厚度（mm）

在锚拉板与主梁的这种接头形式中，锚拉板焊缝与主梁顶板急剧过渡，接头在外力作用下力线扭曲很大，易造成极不均匀的应力分布，焊缝处载荷应力和焊接残余应力集中程度较大，当焊缝根部或过渡处存在缺陷时，经长时间的疲劳应力影响会产生疲劳断裂。此外由于各板件厚度大、焊缝多，焊接时产生焊接残余应力的问题比较突出。

为研究此类构件接头区域焊接残余应力的大小及分布情况，专门制作了三个足尺比例实验构件，通过对这三个试件的钢锚拉板与工字梁连接区域焊缝进行残余应力测试，以及超声波冲击后焊接残余应力变化情况的实验研究，以确定焊后残余应力的大小及分布规律，并明确超声冲击方法对焊接残余应力消除的作用及效果。(https://www.xing528.com)

焊接应力是一种无载荷作用下的内应力，因此会在焊件内部自相平衡，在焊缝及热影响区产生拉应力，而在距焊缝稍远区段的母材内产生与之相平衡的残余压应力。焊缝的拉应力对焊缝的疲劳将产生非常不利的影响，而残余压应力对焊缝没有不利的影响，因而此次测试以焊缝的残余拉应力为主要对象。测试采用了磁测法。三个试件编号分别为CJ1、CJ2和CJ3。

三个研究试件中共设43个焊接应力测试点，其中A焊缝为锚拉板与钢主梁上翼缘的连接焊缝，相应在构件上的测点编号为A1，A2，…，A10。B焊缝为锚拉板与其加强板之间的连接焊缝，相应的测点编号为B1，B2，…，B7。

7.5.1.3　实验结果分析

从焊接残余应力测试结果中可以看出，横向应力Rx与主应力R2、纵向应力Ry与主应力R1，在大多数测点上较为接近，若只考虑平面应力，则纵向、横向应力的方向就近似为主应力的方向。图7-65和图7-66分别为A、B焊缝的纵向残余应力分布情况。

图7-65　A焊缝纵向残余应力分布

图7-66　B焊缝纵向残余应力分布

从图7-65中可以看出，各试件的A焊缝在位于端部处残余应力值较小，之后便大幅增长，在距离焊缝端部400～450 mm以后焊接应力值波动较小，基本稳定在较高的应力水平上，形成了一个高残余应力平台段。如试件CJ1的A3～A10段、CJ2的A4～A7段及CJ3的A3～A6段。三个试件的平台段纵向焊接残余应力平均值分别为338 MPa、349 MPa、347 MPa，均达到了Q370qE钢材屈服强度的90%以上。由文献［34］可知平台段的长度是随着焊缝的长度同步增长的，而残余应力上升段根据不同的板厚在达到一定数值后将不再继续增长。因此A焊缝除去两端部小部分的焊接应力较小段和上升段外，大部分区段的纵向残余应力都处于屈服强度90%左右的水平，这将对焊接接头性能与构件的疲劳强度产生较大的不利影响。

B焊缝的纵向残余应力分布与焊缝有同样的规律，但其焊接残余应力水平较A焊缝有明显的降低。这是因为连接B焊缝的两块钢板较A焊缝的薄。三个试件焊缝的残余应力升高段距焊缝端部为250～300 mm，在距端部300 mm以后形成高残余应力平台段，比A焊缝平台段纵向残余应力平均降低了18%，如图7-66所示。

除了焊缝的分布特点外，节点的局部构造情况对焊缝应力也有明显的影响。试件主梁上翼缘与锚拉板局部连接处，是截面突变的地方，也是内力变化最大的地方，最容易产生应力集中，由于结构设计比较周全的考虑，锚拉板截面在这里做了曲线形的平滑过渡，大大地降低了应力集中的影响。图7-65中三个试件A1点的平均应力为168 MPa，是前述三个试件平台段平均应力的48.7%，说明锚拉板在这里的局部构造非常重要，曲线形的平滑过渡对降低焊接残余应力起到很重要的作用。