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(qiáng)度,、結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定承載力。所以焊接后要進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)備工作

磁測法測試前應(yīng)*行靈敏系數(shù)的標(biāo)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(biāo)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(jìn)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(bǔ)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(qiáng)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(dāng)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(yuǎn)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(qiáng)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σ_x與主應(yīng)力σ₂,、縱向應(yīng)力σ_y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(dá)到了Q370qE鋼材屈服強(qiáng)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(dá)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(qiáng)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(qiáng)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σ_y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),。