膜結(jié)構(gòu)工程鋼材焊接應(yīng)力分類和產(chǎn)生原因

鋼結(jié)構(gòu)在焊接過程中，局部區(qū)域受到高溫作用，焊接中心處可達(dá) 1600℃以上。不均勻的加熱和冷卻，使構(gòu)件產(chǎn)生焊接變形。同時，高溫部分鋼材在高溫時的體積膨脹以及在冷卻時的體積收縮均受到周圍低溫部分鋼材的約束而不能自由變形，從而產(chǎn)生焊接應(yīng)力。

焊接應(yīng)力根據(jù)應(yīng)力方向與鋼板長度方向以及鋼板表面的關(guān)系可分為縱向應(yīng)力、橫向應(yīng)力和厚度方向應(yīng)力。其中縱向應(yīng)力是沿焊縫長度方向的應(yīng)力，橫向應(yīng)力是垂直于焊縫長度方向且平行于構(gòu)件表面的應(yīng)力，厚度方向應(yīng)力則是垂直于焊縫長度方向且垂直于構(gòu)件表面的應(yīng)力。

(1) 縱向焊接應(yīng)力

焊接結(jié)構(gòu)中焊縫沿焊縫長度方向收縮時產(chǎn)生縱向焊接應(yīng)力。

例如在兩塊鋼板上施焊時，鋼板上產(chǎn)生不均勻的溫度場，從而產(chǎn)生了不均勻的膨脹。焊縫附近高溫處的鋼材膨脹最大，稍遠(yuǎn)區(qū)域溫度稍低，膨脹較小。

膨脹大的區(qū)域受到周圍膨脹小的區(qū)域的限制，產(chǎn)生了熱塑性壓縮。冷卻時的過程與加熱時剛好相反，即焊縫區(qū)鋼材的收縮受到兩側(cè)鋼材的限制。相互約束作用的結(jié)果是焊縫中央部分產(chǎn)生縱向拉力，兩側(cè)則產(chǎn)生縱向壓力，這就是縱向收縮引起的縱向應(yīng)力。

又如三塊鋼板拼成的工字鋼(圖 1(b))，腹板與冀緣用焊縫頂接，翼緣與腹板連接處因焊縫收縮受到兩邊鋼板的阻礙而產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力，兩邊因中間收縮而產(chǎn)生壓應(yīng)力，因而形成中部焊縫區(qū)受拉而兩邊鋼板受壓的縱向應(yīng)力。腹板縱向應(yīng)力分布則相反，由于腹板與翼緣焊縫收縮受到腹板中間鋼板的阻礙而受拉，腹板中間受壓，因而形成中間鋼板受壓而兩邊焊縫區(qū)受拉的縱向應(yīng)力。

(2) 橫向焊接應(yīng)力

焊縫的橫向(垂直焊縫長度方向)焊接應(yīng)力包括兩部分：

其一是由于焊縫縱向收縮，使兩塊鋼板趨向于形成反方向的彎曲變形，而實際上焊縫將兩塊板連成整體，從而在兩塊板的中間產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，兩端則產(chǎn)生應(yīng)力

其二是由于焊縫在施焊過程中冷卻時間的不同，先焊的焊縫凝固后具有一定強度，阻止后焊的焊縫進(jìn)行橫向自由膨脹，使之發(fā)生橫向塑性壓縮變形。隨后冷卻焊縫的收縮受到已凝固的焊縫限制而產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，而先焊部分則產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力，因應(yīng)力自相平衡，更遠(yuǎn)處的焊縫則受拉應(yīng)力(圖 2(c))。這兩種橫向應(yīng)力疊加成最后的橫向應(yīng)力

(3) 厚度方向焊接應(yīng)力

較厚鋼板焊接時，焊縫與鋼板和空氣的接觸面散熱較快而先冷卻結(jié)硬，厚度中部的冷卻比表面的冷卻緩慢因而使收縮受到阻礙，形成中間焊縫受拉，四周受壓的狀態(tài)。因而焊縫在厚度方向出現(xiàn)應(yīng)力σz。當(dāng)鋼板厚度＜25mm 時，厚度方向的應(yīng)力不大；但板厚≥50mm 時，厚度方向應(yīng)力較大，可達(dá)50N/ mm2 左右。