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膜結構工程鋼材焊接應力分類和產生原因

鋼結構在焊接過程中，局部區(qū)域受到高溫作用，焊接中心處可達 1600℃以上。不均勻的加熱和冷卻，使構件產生焊接變形。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，從而產生焊接應力。

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

(1) 縱向焊接應力

焊接結構中焊縫沿焊縫長度方向收縮時產生縱向焊接應力。

例如在兩塊鋼板上施焊時，鋼板上產生不均勻的溫度場，從而產生了不均勻的膨脹。焊縫附近高溫處的鋼材膨脹最大，稍遠區(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鋼材的限制。相互約束作用的結果是焊縫中央部分產生縱向拉力，兩側則產生縱向壓力，這就是縱向收縮引起的縱向應力。

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生縱向拉應力，兩邊因中間收縮而產生壓應力，因而形成中部焊縫區(qū)受拉而兩邊鋼板受壓的縱向應力。腹板縱向應力分布則相反，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)受拉的縱向應力。

(2) 橫向焊接應力

焊縫的橫向(垂直焊縫長度方向)焊接應力包括兩部分：

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生橫向拉應力，兩端則產生應力

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生橫向拉應力，而先焊部分則產生橫向壓應力，因應力自相平衡，更遠處的焊縫則受拉應力(圖 2(c))。這兩種橫向應力疊加成最后的橫向應力

(3) 厚度方向焊接應力

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應力σz。當鋼板厚度＜25mm 時，厚度方向的應力不大；但板厚≥50mm 時，厚度方向應力較大，可達50N/ mm2 左右。