钢结构基本原理及设计 焊接残余应力和焊接变形

装配和焊接的工作量，易引起大的焊接变形。
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§3-4 焊接残余应力和焊接变h形
钢结构基本原理及设计
（3）合理地安排焊缝的位置 安排焊缝时尽可能对称于截面中性轴，
（4）尽量避免焊缝的过分集中和交叉。 焊缝不宜过分集中并尽量对称布置焊缝以消除焊接残
余变形和尽量避免三向焊缝相交。 三向焊缝相交时，中断次要焊缝使主要焊缝保持连续
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二. 焊接残余变形的成因
焊接后残余在结构的变形叫做焊接残余变形。 1. 焊接不均匀的加热
焊接区产生热塑性压缩变形 冷却时焊接区要在纵向和横向收缩 构件产生局部鼓曲、弯曲、歪曲和扭转 2. 焊接残余变形 纵、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等
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5. 对疲劳强度的影响 在焊缝及其附近的主体金属残余拉应力通常达到钢材
屈服点，此部位正是形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域。 因此，焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。
多轴残余效应力将进一步降低疲劳应力.
二. 焊接变形的影响
构件安装困难 矫正 影响尺寸和外形 初偏心 初弯曲 可能降低结构的承载能力 附加内力
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焊接残余应力和焊接变形
3.4.1 焊接残余应力和变形的成因
一. 焊接残余应力的成因
焊接残余应力简称焊接应力 1. 现象
2. 成因
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（1）焊缝出现不均匀温度场 焊缝附近温度最高，可高达1600度以上 在焊缝区以外，温度则急剧下降
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纵向收缩变形和横向收缩变形
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焊缝纵向收缩所引起的弯曲变形 焊缝横向收缩所引起的角变形
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波浪式变形
扭曲变形
减小钢结构的焊接残余变形是设计和施工制造时必须 共同考虑的问题，必须从设计和工艺两方面来解决。
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受拉区应力面积At 受压区应力面积Ac 即At=Ac=btfy。 截面达到屈服点fy时所承受的外力
N yA c(B b )tfyB tfy
焊接应力不影响结构的强度
2. 对结构刚度的影响
焊接应力降低结构的刚度。
残余应力的拉杆的抗拉刚度为 （B-b）tE，
而无残余应力的相同截面的拉杆的抗拉刚度为 BtE
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3.4.3 减少焊接应力和变形的措施
设计和焊接工艺
一. 合理的焊缝设计
（1）合理的选择焊缝的尺寸和形式 满足最小焊脚尺寸的条件下，一般用较小的hf加大
焊缝长度。 不要因考虑“安全”而任意加大超过计算所需要的
焊缝尺寸。
（2）尽可能能减少不必要的焊缝 采用薄板，不适当地大量采用加劲肋，不但增加了
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最后的横向焊接残余应力当为两者即图(b)和图(c)的叠加， 如图(d)所示。
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（3）厚度方向的焊接应力
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先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝，先 焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝，使焊缝有较大的横 向收缩余地。
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后冷处形成残余拉应力 后冷处形成收缩变形
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3.4.2 焊接应力和变形对结构工作性能的影响
一. 焊接应力的影响
1. 对结构静力强度的影响
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焊接应力自相平衡
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（2）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。
热应力互相阻碍
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（3）由于钢材在600℃以上时呈塑性状态(热塑性状 态)，因而高温区的这种压应力使焊缝区的钢材产生 塑性压缩变形，塑性变形当温度下降、压应力消失 时不能恢复
3. 残余应力影响压杆稳定性
有效面积、有效惯性矩
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4. 对低温冷脆的影响 焊接残余应力对低温冷脆影响 厚板和具有严重缺陷的焊缝中， 以及在交叉焊缝的情况下，产生了阻碍塑性变形
的三轴拉应力，使裂纹容易发生和发展。
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（1）纵向焊接应力 （2）横向焊接应力
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两部分组成： 其一是由焊缝区的纵向收缩所引起。如把钢板假想沿焊
缝切开，由于焊缝的纵向收缩，两块钢板产生如图(a)中虚线 所示的弯曲变形。
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ຫໍສະໝຸດ Baidu结构基本原理及设计
应力当焊件完全冷却后仍残留在焊缝区钢材内，故名 焊接残余应力。
Q235钢等低合金钢焊接后的残余拉应力常可高达其屈 服点。
残余应力是构件未受荷载作用而早已残留在构件截面 内的应力，因而截面上的残余应力自相平衡。
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3. 分类 纵向焊接应力 横向焊接应力 沿厚度方向的焊接应力
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（5）尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。
（6）肋板不宜带锐角 焊缝不宜过分集中 板宽不同 避免仰焊
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二. 合理的工艺措施
（1）采用合理的焊接顺序和方向。
因而可见在焊缝长度的中间部分必然产生横向拉应力， 而在焊缝的两瑞则产生横向压应力，应力分布如图(b)所示。
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其二是由焊缝的横向收缩所引起。施焊时，焊缝的形成有 先有后，先焊的部分先冷却，先冷却的焊缝区限制了后冷却焊 缝区的横向收缩，使产生横向焊接残余应力如图(c)所示。