残余应力的产生

残余应力的产生、影响及防控措施

崔曙东

摘要：对钢结构而言，残余应力的存在，是影响结构脆断、疲劳破损和结构稳定性降低的重要因素。本文试图对残余应力的产生、对结构的影响和如何有效降低残余应力及影响作简单分析。

关键词：残余应力脆断疲劳破损刚度稳定性

1引言

钢结构自问世以来，由于其具备的强度高、自重轻、抗震性能好、、施工速度快、地基基础费用省、结构占用面积少、工业化程度高等一系列优点，钢结构在建筑领域被广泛应用。但是，也不能否认，钢结构还存在着许多缺陷和隐患，例如稳定性从一开始就一直是钢结构中无法回避的问题，还有随着钢结构建筑的深入发展，脆断和疲劳破损等问题也越来越突出。而上述的诸多问题，无一不与构件内部的残余应力存在密切联系，本文试图从实际出发，探讨残余应力的产生过程、对结构或构件的影响以及如何有效降低残余应力及影响。

2残余应力的成因

残余应力是构件还未承受荷载而早已存在构件截面上的初应力，产生的原因很多，其中，焊接残余应力是很重要的一种，另外在钢材的加工过程中也会产生参与应力。

2.1焊接残余应力

焊接过程是一个对焊件局部加热继而逐渐冷却的过程，不均匀的温度场将使焊件各部分产生不均匀的变形，从而产生各种焊接残余应力。焊接构件由焊接而产生的内应力称之为焊接应力，按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中某一瞬时的焊接应力称之为焊接瞬时应力，它随着时间而变化。焊后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力。对于钢结构而言，焊接残余应力和变形是影响结构断裂强度、疲劳强度和结构稳定性的重要因素。焊接残余应力大大降低了焊接部位材料的有效比例极限，是结构发生脆断的重要原因之一。焊接结构中残余拉应力还会降低结构抗疲劳和耐腐蚀的能力;残余压应力会降低受压构件的刚度，从而使稳定承载力。焊接残余应力是焊件产生变形和开裂等工艺缺陷的重要原因，由于其影响因素众多，计算残余应力又极为复杂，因此给残余应力的研究带来了许多困难，对焊接结构的残余应力研究就显得尤为重要。[1]

2.1.1沿焊缝轴线方向的纵向焊接残余应力

施焊时，焊缝附近温度最高，在焊缝区以外，温度则急剧下降。焊缝区受热而纵向膨胀，但这种膨胀因变形的平截面规律（变形前的平截面，变形后仍保持平面）而受到其相邻较低温度区的约束，使焊缝区产生纵向压应力。由于钢材在高温时呈塑性状态（称为热塑状态），因而高温区这种压应力使焊缝区的钢材产生塑性压缩变形，这种塑性变形当温度下降、压应力消失时是不能恢复的。在焊后的冷却过程中，如假设焊缝区金属能自由变形，冷却后钢材因已有塑性变形而不能恢复其原来长度。事实上由于焊缝区与其邻近钢材是连续的，焊缝区因冷却产生的收缩变形又因平截面变形的平截面规律受到邻近低温区的钢材的约束，使焊缝区产生拉应力。这个拉应力当焊件完全冷却后仍残留在焊缝区的钢材内，故名焊接残余应力，对于低合金钢材焊接后的残余应力常可达到其屈服点。又因截面上残余应力必须自相平衡，焊缝区以外的钢材截面内必然有残余压应力。

2.1.2垂直于焊缝轴线的横向焊接残余应力

两钢板以对接焊缝连接时，除产生上述焊接残余应力外，还会产生横向残余应力。横向残余应力的产生由两部分组成：其一是由焊缝区的纵向收缩引起的，其二是焊缝的横向收缩引起的，最后的横向焊接残余应力应当为两者叠加。焊缝中由焊缝横向收缩产生的横向残余应力将随施焊的程序而异。

2.1.3厚板中沿厚板方向的焊接残余应力

由于厚板常需多层施焊（即焊缝不是一次形成），在厚度方向上将产生焊接残余应力，同时板面与板中间温度分布不均匀，也会引起残余应力，其分布规律与焊接工艺密切相关。此外，在厚板中的前述纵向和横向焊接残余应力沿板的厚度方向大小也是变化的。

2.1.4约束状态下施焊时的焊接残余应力

前述各种焊接残余应力都是焊件能自由变形下施焊时产生的。当焊件在变形收到约束状态时施焊，其焊接残余应力分布就截然不同。如在两块相互垂直板的一侧夹角焊上角焊缝，则侧缝的收缩促使夹角减小。如果这种减小收到约束而不能实现，则焊缝的纵向内将出现反作用残余拉应力，这种应力有可能使焊缝出项裂纹。

2.2残余应力产生的其他途径

除构件焊接能产生残余应力外，热轧后的不均匀冷却、各种冷加工（冷弯、矫正）、火焰切割等也会造成残余应力。它们对残余应力的产生也不可忽视。

3残余应力对结构或构件的影响

残余应力是构件还未承受荷载而早已存在构件截面上的初应力，在构件服役过程中，和其他所受荷载引起的工作应力相互叠加，使其产生二次变形和残余应力的重新分布，不但会降低结构的刚度和稳定性而且在温度和介质的共同作用下，还会严重影响结构的疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力。

3.1对结构刚度的影响

当外载产生的应力δ与结构中某区域的残余应力叠加之和达到屈服点fy时，这一区:域的材料就会产生局部塑性变形，丧失了进一步承受外载的能力，造成结构的有效截而积减小，结构的刚度也随之降低。结构上有纵向和横向焊缝时(例如工字梁上的肋板焊缝)，或经过火焰校正，都可能在较大的截面上产生残余拉伸应力，虽然在构件长度上的分布范围并不太大，但是它们对刚度仍然能有较大的影响。特别是采用大量火焰校正后的焊接梁，在加载时刚度和卸载时的回弹量可能有较明显的下降，对于尺寸精确度和稳定性要求较高的结构是不容忽视的。

3.2对杆件稳定性的影响

当外载引起的压应力与残余应力中的压应力叠加之和达到fy这部分截而就丧失进一步承受外载的能力，继续承载的杆件的有效截而积减少，杆件刚度降低，稳定承载力降低。残余应力对受压杆件稳定承载力的影响大小，与残余应力的分布位置有关。[2] 残余应力是一个不稳定的应力状态，当构件受到外力、温度等其它因素作用时，由于这些作用应力与残余应力的相互作用，使构件某些局部呈现塑性变形，截而内残余应力重新分布，当外在因素去除时整个构件都要发牛变形。构件在使用过程中，残余应力将发生松弛，所以残余应力影响着构件稳定性。这也是工程部门最关心的问题之一。

残余应力对构件变形的影响包括两个方面：一方而是构件抗静、动载荷的变形能力；另一方而是载荷卸载后变形恢复的能力。残余应力在这两个方而对构件的影响是很大的，因此人们一直在研究消除这此影响的有效方法。

3.3对静载强度的影响

如果材料是脆性材料，由于材料不能进行塑性变形，随着外力的增加，构件中不可能应