焊接鋼樑

焊接鋼樑是組合梁的一種，常用的焊接鋼樑為由上、下翼緣板和腹板組成的工形截面和箱形截面，後者較費料，且製作工序較繁，但具有較大的抗彎剛度和抗扭剛度，適用於有側向荷載和抗扭要求較高或梁高受到限制等情況。

基本介紹

• 中文名：焊接鋼樑
• 外文名：welded steel beam
• 套用領域：交通運輸、建築
• 類別：組合梁
• 截面分類：工形截面、箱形截面

焊接理論

焊接是一個將焊件局部快速加熱到高溫，並隨後快速冷卻的過程。隨著熱源的移動，整個焊件的溫度隨著時間和空間劇烈變化，材料的熱物理性能也隨著溫度急劇變化，同時還存在熔化和相變時的潛熱現象。因此，焊接溫度場分析屬於典型的非線性瞬態熱傳導問題。

焊接鋼樑幾何模型圖

疲勞壽命及其參數研究

概況

20世紀60年代後，焊接技術廣泛套用於鋼橋等大型鋼結構中。隨著日益加重的交通運輸，許多焊接鋼橋出現了疲勞裂紋，於是對這些鋼橋疲勞壽命的預測將尤為重要。對於含有缺陷或裂紋的焊接結構，主要研究裂紋擴展壽命，大多採用Paris裂紋擴展公式da/dN=C（△K）^m對裂紋擴展壽命展開研究。

焊接鋼構件的機率疲勞壽命曲線和機率裂紋擴展速率曲線是進行鋼結構疲勞可靠性設計和服役期間剩餘疲勞壽命可靠性評估所必須的。

參數研究

大尺寸焊接鋼樑的疲勞壽命服從對數常態分配。在裂紋擴展速率表達式中的參數m為定值時，通過裂紋擴展壽命基本公式計算得到的參數C也服從對數常態分配。套用機率斷裂力學方法對焊接鋼樑在給定可靠度下的疲勞壽命進行預測,得出含有缺陷或裂紋大尺寸構件的疲勞壽命主要是裂紋的擴展壽命。由於鋼種對壽命的影響很小，所得結果對於我國鋼橋的剩餘疲勞壽命可靠性評估有重要的參照價值。

殘餘應力分析

概況

焊接過程的關鍵通常是使構件局部加熱熔化，隨後是連續地冷卻。由於焊接等局部加熱及材料本身受到的約束作用，材料在溫度較高時發生了塑性變形或相變，在冷卻後被保留了下來，在構件內部形成了一個自相平衡的內應力場，即殘餘應力場。殘餘應力的峰值往往達到甚至超過母料的屈服強度，當這些焊接構件投入工程使用中時，它們所受荷載引起的工作應力與其內部的焊接殘餘應力相互疊加，將導致焊接構件產生二次變形和焊應力重分布，從而降低焊接構件的剛度和穩定性。工程套用中也不乏這種將型鋼直接焊接成鋼樑或鋼架的構件。

殘餘應力

焊接過程是一個不均勻的加熱過程。在施焊時，焊件上產生不均勻分布溫度場，不均勻的溫度場會產生不均勻的溫度膨脹。溫度較高處的鋼材的膨脹較大，由於兩側溫度較低，受到膨脹較小的鋼材的限制，產生了熱狀態塑性壓縮。焊縫冷卻時，被塑性壓縮的焊縫區趨向於縮的比原始長度稍短，這種縮短變形受到兩側鋼材的限制，使焊縫區產生縱向拉應力。焊接殘餘應力是一種無外荷載作用下的內應力，因此會在焊件內部自相平衡，這就必然在距焊縫稍遠區段內產生壓應力。此外，由於焊縫縱向收縮，兩塊10號槽鋼趨向於形成反方向的彎曲變形，但實際上焊縫將兩塊槽鋼連成整體不能分開，於是在焊縫中部產生橫向拉應力，而在兩端產生橫向壓應力。其次焊縫在施焊過程中，由於先後冷卻的時間不同，先焊的焊縫已經凝固，且具有一定的強度，會阻止後焊焊縫再橫向的自由膨脹，使其發生橫向的壓縮變形。當焊縫冷卻時，後焊焊縫的收縮受到已凝固的焊縫限制而產生橫向拉應力，同時在先焊部分的焊縫內產生橫向壓應力。