焊接工字形截面

试件设计及测量方法

试验对 460MPa钢材的8种焊接工字形截面试件和 960MPa钢材的 3 种焊接工字形截面试件的残余应力进行了测量，其截面尺寸如表2-5 所示。截面尺寸符号和试件截面形状的示意图如图 2-13 所示。为使试验研究结果更具有代表性，考虑实际工程应用情况，所有试件板材均为中厚板（包括 10mm、12mm 和 14mm，共 3 种板厚），并采用焰切方式下料加工。试件 RI1-460～RI7-460、RI1-960～RI3-960 的腹板和翼缘间采用角焊缝连接，焊脚尺寸h，为6mm，试件 RI8-460 采用对接角接组合焊缝。焊接方法通过了焊接工艺评定测试。所有试件形状如图2-14 所示（切割分段后的余料）。本试验的试件尺寸（板件宽厚比）基本涵盖了工程常用的范围。

所有 460MPa和 960MPa 钢材焊接工字形截面试件的板件宽厚比不尽相同，以此研究其对残余应力分布和数值的影响。试件 RI2-460 与 RI3-460 的板件宽厚比相同但厚度不同，以此研究板厚的影响。试件 RI2-460 与 RI8-460 的截面尺寸完全相同但焊缝类型不同（前者为角焊缝，后者为对接角接组合焊缝），以此研究焊缝类型的影响。试件 RI2-460 与 RI4-460 腹板宽厚比相同，翼缘宽厚比不同，以此研究翼缘宽厚比的影响。试件 RI4-460与 RI5-460 翼缘宽厚比相同，腹板宽厚比不同，以此研究腹板尺寸的影响。

所有 460MPa 钢材试件由国产 Q460C 低合金高强度结构钢板（舞阳钢铁有限责任公司提供）经焰切下料，焊接加工而成。所有 960MPa 钢材试件板材均为工程中常用的 14mm厚钢板（由鞍钢股份有限公司提供），板件下料采用焰切法。钢材的材料力学性能通过标准静力拉伸试验获得，图2-15 为材料的应力-应变曲线（曲线末端并非表示试件拉断，而是撤掉引伸计），可以看到 460MPa 钢材有明显的屈服平台，而 960MPa高强度钢材没有明显的屈服平台。

试验采用分割法测量截面的残余应力。该测量方法通过切条能够基本实现残余应力的完全释放，使测量结果更接近于实际值。采用电火花数控线切割机床对截面板件进行分割和切条，以保证切割精度，避免热输入影响实际的残余应力分布。利用 Whittemore 手持应变仪（见图1-28，标距为10 英寸=254mm，精度为1/10000 英寸=1/254000mm）测量条带分割前后释放的变形。每个分割条带两端的标孔采用电钻冷加工制备以尽量减少热输入。具体的测量设备及标孔尺寸要求同本章 2.1 节相关内容。为了保持构件原始的残余应力状态，消除构件端部对残余应力分布的影响，试验参考已有研究给出的建议，确定残余应力截面试件取自原构件中部且长度不小于截面长边尺寸的 3 倍，距离原构件端部不小于1.5～2.0 倍截面长边尺寸，如图2-16 所示（以试件 RI2-460 为例）。每个分割条带的宽度为 10mm，例如试件 RI2-460 的翼缘纵向分割为 15 个条带，腹板分割为 13个条带。

测量主要分为 3 步（如图 2-17 所示）。第 1 步，在原构件中部取样位置标记分割条带的位置，在每个条带两端钻一对间距为 254mm（即 Whittemore 手持应变仪的标距）的标孔，记录手持应变仪测量每对标孔的间距读数，并利用线切割横向切取中间一段试件。第2 步，利用线切割将试件从板件连接处分割为三块（工字形截面）独立的板件，在翼缘和腹板相交内角处补钻标孔，并再次记录每对标孔的读数。第 3 步，利用线切割将 3 块板件按照设计位置纵向分割为宽度为 10mm 的条带，之后最终记录每对标孔的间距读数，测量过程结束。值得注意的是，板件两侧面的标孔间距读数均进行了记录，每次测量前须用气喷法对标孔进行清洁以保证测量结果的精度;每一组测量数据均要有对应的 Whittemore 手持应变仪温度校正棒相应的读数，用于最终计算结果的温度校正。

利用每个条带分割前后 Whittemore 手持应变仪读数的变化（即第1步的读数和第 3步对应的读数），就可以得到每个条带释放的残余应变，再根据胡克定律计算得到残余应力，具体的计算公式详见式（2-1）～式 （2-3）; 计算中材料的弹性模量根据材性试验结果（见表2-6）确定。对于焊接工字形截面试件，翼缘和腹板相交处内角区域（即翼缘内侧中部和腹板两侧），由于空间太小无法进行钻孔和测量，该处的2～3 组标孔是在第 2 步中补钻的，最终的残余应变也是根据比较第 2 步和第 3 步的读数得到。考虑到第 2 步中不可避免地会有少量残余应力得到释放，因此该区域的测量结果会比实际值略小。此外，残余应变的计算考虑了温度修正;对于分割后明显弯曲的条带，还进行了弯曲修正，具体的公式见式（2-2）。

图 2-18 为试件完全分割成条带后的照片。