磁测法测试钢结构桥梁的焊接残余应力

　　摘要：焊接钢桥越来越广泛应用，焊接残余应力、变形是对桥梁结构质量与耐久性影响较大。焊接过程中产生残余应力可能会降低桥梁的承载能力和疲劳强度甚至诱发裂纹导致灾难性事故。磁测法是基于铁磁材料压磁效应的应力测量的一种新方法，在熔透焊缝中，平行和垂直焊缝方向都存在着相当大的焊接残余应力，很多测点应力已经接近钢材的屈服强度;局部构造设计对于防止焊接应力集中有着重要的意义。

　　关键词：钢结构桥梁;磁测法;焊接应力

　　随着我国城市现代化进程的不断加快，钢桁梁的发展趋势之一是“外形简洁、结构耐久”，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。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，准确测定出构件的残余应力就显得十分重要。

　　电焊论文投稿刊物：《焊接学报》(月刊)创刊于1980年，由中国机械工程学会、中国机械工程学会焊接学会、哈尔滨焊接研究所主办。主要刊登焊接各专业学科理论研究的专题论文和反映焊接新材料、新工艺方法的专题论文。

　　一、残余应力的主要测试方法

　　测量焊接残余应力的方法按其对被检测对象是否产生损伤分为有损法和无损法两大类，有损法又称为机械法测残余应力，它是采用机械加工的手段，对被测构件进行部分解剖或完全剥离使被测构件上的残余应力部分释放或完全释放，利用电阻应变计测出残余应力的方法。常用的有盲孔法。无损法按其使用检测手段不同，分为x射线衍射法、超声声弹性法和磁测法等。其中超声声弹性法只能测试高值残余应力，目前还处于试验研究阶段。

　　盲孔法、x射线衍射法、磁测法方法都有测试速度较快，都能用于不均匀的应力场，但x射线衍射法由于仪器设备的复杂性只能用于实验室，盲孔法和磁测法则因仪器的轻便性可用于实验室和现场测试。盲孔法是采用在预测工件的表面中心钻一小孔，使其产生局部应力释放，再由黏贴在孔周的应变片感受出应变的变化，该应变称为释放应变，通过弹性力学公式可得到主应力值和方向角。

　　与盲孔法相比，磁测法在测量残余应力时，对被检测对象不造成任何破损，此外它能测出同一点在不同状态下的应力情况。如超声波冲击等工艺处理前后的焊接残余应力的变化情况，而且它既能测平面光滑试样的应力又能测复杂形状部位处(如各构造部件相交部位或角焊缝处等)的焊缝残余应力。

　　而盲孔法对于复杂部位的开孔则受到限制。在钢结构桥梁的焊缝中，测试残余应力的目的是为了了解焊接残余应力的大小，分布状况，为后绪将开展的减小和消除残余应力工艺及技术方案提供依据，并且在减小和消除残余应力工艺处理后，再次进行测试，以了解焊接残余应力重新分布的情况，评定工艺处理的效果，确认是否满足结构受力要求。

　　二、残余应力的磁测法

　　1、磁测法的测试原理。目前在我国应用的磁测法是一种无损检测的方法，它的基本原理是，基于铁磁性材料(如低碳钢等)的磁致伸缩效应，即铁磁性材料在磁化时会发生尺寸变化;反过来铁磁体在应力作用下其磁化状态(导磁率和磁感应强度等)也会发生变化，因此通过测量磁性变化可以测定铁磁材料中的应力。当试样内存在残余应力时，也会使磁畴的移动和转向均受阻而使磁化率减小，这种现象称为磁弹性现象[1]。

　　2、灵敏系数的确定。灵敏系数a可通过单向拉压或弯曲实验确定。为消除边界对测量结果的影响，试样的宽度需大于3倍探头的尺寸，试件长宽比取6较适宜，标定试样，选择与被测材料同样的化学成分和同一热处理状况的无内应力材料制成，通过标定可得一系列数据。由式可知这些数据满足线性关系，所以利用最小二乘法计算出直线的斜率即灵敏系数a。

　　3、应力的确定。已知各测点的主应力差和主方向角，用切实力差法分离主应力。

　　4、磁测法的应用情况及测前的准备工作。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，通过测定磁导率的变化来确定一点的应力状态。对于需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;以便于确定工艺处理后的效果满足要求。

　　5、某大桥构件焊缝应力测试

　　某大桥为两跨连续钢桁架-桁拱组合结构，桥面结构为箱梁系梁，横桥向为工字形横梁与工字形小纵梁组成的格构体系，桥面部分为U型肋与12mm钢桥面板上铺SMA沥青面层。

　　ANSYS计算残余应力方法，焊接有限元分析计算，采用三维有限元模式，焊接区域内外温度场不同，冷却条件不同;而且由于模拟的过程是瞬态的，在时间上温度梯度场也是不同的。材料的热一力特性是非线性的，材料的非线性导致计算的非线性;同时还需要考虑时程的积累。外部的熔敷材料的凝结，会改变结构的连接，因而结构的边界条件也是变化的。材料的状态变化是逐步的，是显微变化，逐步积累发生大的变化。因而，采用ANSYS计算焊接过程的残余应力与应变的计算，一般有两种方式:一是间接耦合，即根据结构的温度场，计算结构的温度应力，将温度应力转化为温度荷载，再计算结构的内力，变形。另外一种就是直接耦合，即采用耦合单元，将温度作用于耦合单元进行热-结构分析。

　　(1)边界条件。采用ANSYS进行焊接温度-结构分析，结构的边界条件是一个复杂的过程。为简化计算同时兼顾模拟的准确，采取的方法是将温度场的辐射和对流综合考虑，调整对流系数，焊接熔池、熔宽和焊接最高温度都有微小影响，但经验证，影响并不明显。

　　(2)相变潜热处理方法。焊接过程中，由于温度场的变化，焊接过程有钢结构材料的汽化、熔化、凝固等相变过程，而相变潜热对温度场分析会产生一定的影响。计算采取的处理相变潜热问题，采用的的方法是定义热焓。

　　由于相变涉及金属冶金学，比较复杂，为简化计算，但又要接近实际情况，通过考虑材料在不同温度条件下的材料特性来替代金属相变的热焓。

　　(3)非线性的处理。采用ANSYS进行模拟计算中，由于材料的非线性，导致计算的非线性，采用的计算方式是激活大应变效应，并采用缓慢加载。并采用多子步迭代并进行修正，打开牛顿一拉弗森迭代方法，激活二分法并限制最小时间步长。通过以上措施实现计算结果的准确性，计算验证表明可使得计算结果接近于实际。

　　通过磁测法为消除焊接残余应力提供了方便、可行、准确的测试手段，试验研究表明，该方法具有测试灵敏度高、测试系统简单等特点，特别是在复杂的节点焊缝测试中，更显示出它的灵活、快捷、环保以及操作简便等诸多的优越性，已越来越受到业界的重视，是一种很有发展前景的应力测试方法。

　　参考文献：

　　[1]王振毅，马宏程.常见焊接变形的影响因素及预防措施.科技传播，2016.

　　[2]陈建波，罗宇，龙哲.大型复杂结构焊接变形热弹塑性有限元分析.焊接学报，2017，29(4).

　　[3]汪建华，陆皓，魏良武.固有应变有限元法预测焊接变形理论及其应用.焊接学报，2016，23(6).

　　作者：陈杰

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