盲孔法在钢箱梁桥焊接残余应力测试中的应用

2017-03-28丁代伟

城市道桥与防洪 2017年2期

关键词：盲孔春意钢箱梁

丁代伟，薛江

（1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司,天津市 300381;2.天津城建大学,天津市 300384）

盲孔法在钢箱梁桥焊接残余应力测试中的应用

丁代伟1，薛江2

（1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司,天津市 300381;2.天津城建大学,天津市 300384）

随着社会的进步和经济的发展，钢桥作为一种绿色建材类型具有良好的发展潜力和前景。简述了钢结构桥梁中焊接残余应力产生的原因及其影响，针对钢箱梁焊接残余应力研究较少的现状，提出采用盲孔法测试钢箱梁残余应力的思路。以海河春意桥为例，阐述盲孔法的测试原理，针对钢箱梁桥焊接残余应力进行相应测试，得出了钢箱梁焊接残余应力的分布规律及特点，为后续施工及设计提供技术参考。

焊接残余应力；钢箱梁；盲孔法；主拉应力；主压应力

0 引言

近十几年来，随着社会发展的需要，桥梁建设在城市建设以及基础设施中得到了迅速的发展，特别是大跨径钢箱梁桥。目前我国钢箱梁的工厂制造己全部采用焊接，现场连接也由高强度螺栓转向栓焊或全焊连接。钢箱梁加劲板在焊接和冷却过程中由于焊件受热和冷却不均匀会产生焊接残余应力和残余变形，焊接应力较高的部位将达到钢材的屈服强度而发生塑性变形。构件的残余应力在焊缝位置区域存在很大的拉应力，其他区域则受压。由于加劲板中残余应力的影响，也会使加劲板的刚度和屈曲荷载降低。同时残余应力对于结构的静强度、疲劳强度、应力腐蚀等都有至关重要的影响[1，2]。

因此，对于整体节段焊接残余应力的研究，有必要通过模型试验来进行现场测试。本文正是基于盲孔法对在建桥梁进行测试，以找出焊接残余应力的分布规律，验证设计的合理性和评价焊接工艺的合理性，以便采取有效措施控制残余应力及变形，为钢梁制造架设提供指导性意见。

1 盲孔法检测原理

盲孔法测量原理见图1，假设一个各向同性材料上某一区域内存在一般状态的残余应力场，其最大、最小主应力分别为σ1和σ2。在该区域表面上粘贴专用应变花，在应变花中心打一个小孔，引起孔边应力释放，从而在应变花区域内产生释放应变，根据应变花测量的释放应变就可以计算出残余应力。

图1 盲孔法残余应力测量原理

用图2表示被测点O附近的应力状态：σ1和σ2为O点的残余主应力。在距离测点半径为r的P点处，σr和σt分别表示钻孔释放的径向应力和切向应力，并且σr和σt的夹角为φ。

图2 测点O附近的应力状态

根据弹性力学原理，我们可以得出残余应力与残余主应力的关系，见式（1）。

其中，参数A和B如下：

式中：E、μ分别为被测材料的弹性模量和泊松比；a、r1、r2分别为孔半径和盲孔中心到应变片近孔端、远孔端距离，见图1。

为了计算方便，三个应变片之间的夹角采用标准角度，如φ，φ+45°，φ+90°，这样测得的三个应变分别为ε0，ε45和ε90。

式中：φ为0°应变片与第一主应力方向的夹角。

如果三个应变片都准确地贴在同一圆周上，则有A0=A45=A90=A和B0=B45=B90=B。对式（2）进行联立求解，得

3 工程实例

3.1 工程概况

春意桥主桥采用57.5m+85m+57.5m三跨跨越海河，桥跨总长200m，主跨85m，见图3。

主桥由横向7个钢箱梁组成，横向对称布置，每个钢箱梁宽度3.452m，钢箱梁之间间距1.644m。钢箱梁顶面与道路纵断线形一致，底面为曲线线形。两个钢箱梁之间采用上下两个横梁进行连接。钢箱梁内部设大横隔板和小横隔板，其标准间距为2.5m。钢箱梁之间横梁布置位置对应大、小横隔板。

钢箱梁顶板设置U肋，底板设置T肋，腹板设置竖向、横向加劲肋，见图4。

主桥钢结构全部采用焊接，其中板厚变化的位置需进行板厚过渡处理，过渡段应满足不小于1∶8，不大于1∶6，并且板厚过渡区域在薄板范围内。

3.2 焊接残余应力检测

测试仪器为上海乐展电器有限公司销售的YC-III-2型残余应力钻孔装置，静态程控电阻应变仪型号CM-2B型静态电阻应变仪。测试过程见图5。

图4 钢箱梁示意图（单位：cm）

图5 现场测试图

根据春意桥拼装焊接的步骤，可以知道，该桥在顶板上有纵向和横向两种焊缝，因此焊接残余应变测点的布设选择其中同一箱梁的相交横焊缝上。测点布置具体为：横桥向布置在4#～5#跨箱梁二第一道横向焊缝位置处；横桥向由于主梁为梁横向布置七片箱梁和六片箱间横隔板构成，为对称结构，因此选择箱梁二三间箱梁二与箱间横隔板的焊缝。每个箱梁的残余应力测点布置为：横向焊缝残余应力测点布置为距离焊缝边缘0.02m，间距0.4m的测点10个，在横向焊缝中间沿垂线方向布置间距为0.01m的测点2个，横向焊缝残余应力测点共12个点；纵向焊缝残余应力测点布置距离焊缝边缘0.02m，间距0.6m的测点4个，在第三个测点位置处，沿纵向焊缝垂线方向布置间距为0.01m的测点2个，纵向焊缝残余应力测点共6个点。总测点共16个。测点布置见图6。

图6 箱梁二焊接残余应力测试点位置图

3.3 焊接残余应力检测结果

通过现场对春意桥进行焊接残余应力测试，可以得到测试部位残余应力结果见表1，箱梁二焊缝残余应力分布见图7～图9。其中“+”表示拉应力,“-”表示压应力，σmax为测点处主拉应力,σmin为测点处主压应力 ,θ为主拉应力σmax与焊缝方向的夹角。

表1 箱梁二焊缝残余应力测试结果 MPa

图7 横向焊缝残余应力分布图（单位：MPa）

图8 纵向焊缝残余应力分布图（单位：MPa）

由以上测试结果及分布图可知,箱梁二顶板横向焊缝测区的残余应力峰值为199.97MPa,为材料屈服强度的57.96%；箱梁二顶板纵向焊缝测区的残余应力峰值为-157.94MPa,为材料屈服强度的45.78%。从整体来看，箱梁二梁端段顶板焊缝测区残余应力整体水平在材料屈服强度的25%左右，焊缝附近的残余应力大小沿切线方向和垂线方向分布均为非线性。