仿真笔记——结构残余应力的产生、影响及防控措施
关键词：残余应力 脆断 疲劳破损 刚度 稳定性
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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，构件中不可能应力均匀化。应力峰值将不断增加，直至达到材料的屈服极限，发生局部破坏，最后导致整个构件断裂。脆性材料残余应力的存在，会使承载能力下降，导致断裂。对于塑性材料，在低温环境下存在三向拉伸残余应力的作用，会阻碍塑性变形的产生，从而也会大大降低构件的承载能力。
对于焊接构件，只要构件和焊道本身具有较好的塑性变形能力(没有低温、动荷载等使钢材变脆的不利因素)，残余应力不会降低构件的静力强度。因为有残余应力的构件承受逐渐增大的轴心拉力时，外荷载引起的拉应力将叠加截面的残余应力。在加载过程中，应力不断增加，当叠加总应力达到材料的屈服极限fy，构件中存在残余拉应力的截而提前进入塑性区，后增长的外荷载仅由截而的弹性区承担，随荷载的增大，弹性区减少，塑性区增大，内部应力不断叠加，应力发生重新分布，直至整个截面上的应力达到材料的屈服极限时为止。由于截面残余应力为自相平衡应力分布，故静力荷载相等，即残余应力不会降低构件的静力强度。但是塑性材料在一定条件下会失去塑性，变成脆性或者构件材料塑性较低，残余应力将会影响构件的静力强度。因为构件无足够的塑性变形产生，在加载过程中，应力峰值不断增加，直至达到材料强度极限后发生破坏。因而残余应力对其有影响。
钢材在循环应力多次反复作下裂缝生成、扩展以致断裂破坏的现象称为钢材的疲劳。残余应力的存在使变荷载产生的应力与残余应力叠加后，应力幅值产生变化，将对结构抗疲劳强度产生影响。因此，如应力集中处存的着残余拉应力较大，疲劳强度就降低。应力集中系数越高，残余应力的影响也就越显著，因此，提高疲劳强度，不仅应从调节和消除残余应力着手，而且应从上艺和设计上来降低结构的应力集中系数，从而降低残余应力对疲劳强度的不利影响。
脆性破坏是指构件在几乎不存在塑性变形情况下突然开裂，并快速在整个截面内传播直至破坏。它在低温或者变形速率增加情况下最容易发生。
焊接结构中残余应力的存在(残余应力较高时可达fy) 时，在外荷载的作用下，有效比例极限降低，部分截而提前进入屈服。这部分截而在塑性变形后，材料的塑性变形能力降低，呈脆性。因此，残余应力的存在，使部分截面出现脆性性能，加剧了构件脆性破坏的可能性。
裂纹扩大时结构脆断的重要原因。焊缝冷却时的收缩收缩作用受到约束，有可能出现裂纹，在板厚较大的焊接结构中尤其明显。例如在两块厚板T形连接时，当两块板间未留缝隙而不能相对移动时，焊缝因收缩受到约束因产生拉应力有可能促使开裂，如果在两块板之间垫上软钢丝留出缝隙，焊缝收缩有余地，裂纹就不会出现。
完全消除残余应力是不现实的，但可以通过一系列措施来降低残余应力峰值。控制残余应力的目标是消除残余应力集中和叠加现象，降低应力的峰值并使其均匀分布，从而提高结构的整体承载力、增强结构的安全性。其措施有以下几种：
焊接残余应力经常能达到材料的屈服点fy，此时在承受拉应力δ卸载后，其残余应力的峰值由下降为（fy-δ）。如果所加拉应力高达fy，则残余应力完全消失。因此如果构件在早期经受少量的拉应力，则能有效降低残余应力峰值。但是在工程设计中，要想利用这种消除或减小残余应力的好处并不容易。在交付前有意识地通过高应力幅循环荷载消除残余应力，目前只在某些机械行业有所应用，办法是用激振器在工作中产生循环应力是残余应力峰值下降。
长期实践证明，在科学地选择有效振型，对构件关键部位施加适当应力后，振动时效能有效降低和均化残余应力值，能极好地稳定焊接件特别是异种钢焊接后的尺寸稳定性，在对环状钢结构中,稳定构件形位尺寸更是效果明显。另外，振动时效法具有周期短、效率高、无污染的特点，且不受上件尺寸、形状、重量等限制，已经过大量的上程实践证明，对消除构件焊接残余应力是有明显效果的。
对大型结构，应从中间向四周进行施焊，使焊缝可以由中间向外依次进行收缩。
对于平面上的交叉焊缝，应特别注意交叉处的焊接质量。如果接近纵向焊缝的横向焊缝处有缺陷(如未焊透)，则这此缺陷正好位于纵焊缝的拉伸应力场中，会造成三向应力状态。所以要采取保证交叉点部位不易产生缺陷而又能自由收缩的顺序，先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝。
应先焊收缩量最大的焊缝。如果在结构上既有对接焊缝又有角焊缝，就应先焊对接缝，后焊角焊缝。
应先焊在上作时受力较大的焊缝，使内应力合理分布。在接头两端留出一段翼缘角不焊，先焊受力最大的翼缘对接焊缝，然后再焊腹板对接缝，最后焊翼缘预留角焊缝，这样焊后可使翼缘的对接焊缝承受压应力，而腹板对接缝受拉，角焊缝留在最后焊可以保证腹板对接缝有一定的收缩余地，同时也有利于在焊接对接缝时采取反变形措施以防止产生角变形。基本建设焊接构件一般都比较大，因此十分讲究焊接顺序和施工程序。
为降低对焊件的加热程度，减小加热范围，可根据结构具体情况，以间断的方式进行焊接。例如，在对铸铁进行电弧冷焊时，每次只焊一段很短的焊缝，让其冷却到不烫手时再焊下一段，直至全部焊完工作缝。这样焊接区附近的金属始终处在“冷态”中，可减小焊接应力。
焊接内应力由局部加热循环而引起，为此在满足设计要求的条件下，在深化设计过程中，不应加大焊缝尺寸和余高，要对其焊缝尺寸给予优化，焊缝坡口要合理，尽量采用双面坡口，要转变焊缝越大越安全的观念。
拘束度越大，焊接应力越大，首先应尽量使焊缝在较小拘束度下焊接。如长构件需要拼接板条时，要尽量在自由状态下施焊，不要待到组装时再焊，应按工艺先将其拼接工作完成，再进行组装构件。若组装后再焊，则因其无法自由收缩，拘束度过大而产生很大的应力。
在构件焊接过程中为了减少焊接热输入流失过快，避兔焊缝在结晶过程中产生裂纹，因此当板厚达到一定厚度时，焊前应对焊缝周边一定范围内进行加热，加热温度视板厚及母材碳当量而定，此即为焊前预热。当构件上某一条焊缝经预热施焊时，构件焊缝区域温度非常高，伴随着焊缝施焊的进展，该区域内必定产生热胀冷缩的现象，而该区域仅占构件截面中很小一部分，此外，部分母材均处于冷却(常温)状态，由此而对焊接区域产生巨大的刚性拘束，造成很大的应力，甚至产生裂纹。若此时在焊缝区域的对称部位进行加热，温度略高于预热温度，且加热温度始终伴随着焊接全程，则上述应力状况将会大为减小，构件变形亦会大大改观。
对于大型结构宜采取分部组装焊接，结构各部分分别施工、焊接，校正合格后总装焊接。
在众多的能引起残余应力的途径中，焊接时非常重要的一种。焊接是一种运用(多数情况下为局部)加热或加压手段、添加或不添加填充材料将构件不可拆卸地连接在一起或在基材表面堆敖覆盖层的加工工艺。由于高度集中的瞬时热输入，在焊接后将产生相当大的残余应力(焊接残余应力)。与载荷应力相比，焊接残余应力是发生在没有外力情况下的内力。实际上，在各种机械和机器的加工制造过程中，构件内部部将产生残余应力。所产生的残余应力的状态，特别是其应力值的大小、应力的分布是随各种加工方法不同而有差异的。
