摘要：对于钢结构而言，残余应力的存在是影响结构脆性断裂、疲劳损伤、结构稳定性降低的重要因素。本文试图对残余应力的产生、其对结构的影响以及如何有效降低残余应力及其影响做简单的分析。
关键词：残余应力、脆性断裂、疲劳、损伤、刚度、稳定性
1 简介
钢结构自问世以来，凭借其强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快、基础造价低、结构面积小、工业化程度高等优势，在建筑领域得到了广泛的应用。但不可否认的是，钢结构仍然存在着不少的缺陷和隐患。例如稳定性从诞生之日起一直是钢结构无法回避的问题，随着钢结构建筑的深入发展，脆性断裂、疲劳损伤等问题也愈发突出。而上述问题都与构件内部的残余应力息息相关。本文试图从实用的角度，对残余应力的产生过程、其对结构或构件的影响，以及如何有效降低残余应力及其影响进行探讨。
2 残余应力产生的原因
残余应力是构件在承受载荷前，其横截面上存在的初始应力，其产生的原因有很多夏志斌 钢结构，其中焊接残余应力是很重要的一个原因，此外，钢材在加工过程中也会产生参与应力。
2.1焊接残余应力
焊接过程是焊件局部加热后逐渐冷却的过程，不均匀的温度场将引起焊件各部位不均匀的变形，从而产生各种焊接残余应力。焊接引起的焊接构件内部应力称为焊接应力，按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中某一时刻的焊接应力称为焊接瞬时应力，随时间变化。焊接后残留在焊件中的焊接应力称为焊接残余应力。对于钢结构，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材料在焊接部位的有效比例极限，是结构脆性断裂的重要原因之一。焊接结构中的残余拉应力也会降低结构抗疲劳、抗腐蚀的能力；残余压应力会降低受压构件的刚度，从而稳定承载能力。焊接残余应力是造成焊接构件变形、开裂等工艺缺陷的重要原因。由于残余应力的影响因素很多，计算极其复杂，给残余应力的研究带来很多困难，焊接结构中残余应力的研究尤为重要。[1]
2.1.1 沿焊缝轴线方向的纵焊残余应力
焊接时，焊缝附近温度最高，焊缝区外温度急剧下降。焊缝区受热而纵向膨胀，但由于变形的平面截面规律（变形前平面截面在变形后仍保持平直），这种膨胀受到相邻较低温度区域的制约，从而在焊缝区产生纵向压应力。由于钢材在高温下处于塑性状态（称为热塑性状态），高温区的这种压应力使焊缝区钢材产生塑性压缩变形。当温度下降、压应力消失时，这种塑性变形不能恢复。在焊接后的冷却过程中，如果假定焊缝区金属可以自由变形，由于塑性变形，钢材在冷却后不能恢复原长。实际上，由于焊缝区与其相邻的钢材是连续的，焊缝区因冷却而产生的收缩变形，由于平面截面变形的平面截面规律，受到相邻低温区钢材的制约，从而在焊缝区产生拉应力。这种拉应力在焊件完全冷却后仍残留在焊缝区的钢材中，所以叫焊接残余应力。对于低合金钢，焊接后的残余应力往往能达到其屈服点。由于截面上的残余应力要自平衡，所以焊缝区以外的钢材截面上必然存在残余压应力。
2.1.2 垂直于焊缝轴线的横向焊接残余应力
两块钢板采用对接焊缝连接时，除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：一部分是由焊缝区纵向收缩引起的，另一部分是由焊缝横向收缩引起的。最终产生的横向焊接残余应力应为二者的叠加。焊缝中由焊缝横向收缩产生的横向残余应力会随焊接工艺的不同而变化。
2.1.3 厚板焊接残余应力
由于厚板往往需要多层焊接（即焊缝并非一次成型），因此在厚度方向上会产生焊接残余应力。同时，板面与板中部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。另外，厚板中前述纵向和横向焊接残余应力沿板厚方向的大小也是不尽相同的。
2.1.4 约束焊接残余应力
上述各种焊接残余应力都是在焊件能自由变形的条件下进行焊接时产生的。当焊件在受约束的状态下变形时进行焊接时，焊接残余应力的分布情况则完全不同。例如，在两块互相垂直的板材的一侧增加角焊缝时，边缝的收缩使角度减小。如果这种减小受到约束而无法实现，就会在焊缝的纵向上出现反应残余拉应力，这种应力可能使焊缝产生裂纹。
2.2 残余应力产生的其他方式
除了构件焊接产生的残余应力外，热轧后的不均匀冷却、各种冷加工（冷弯、矫直）、火焰切割等也会引起残余应力。它们对残余应力产生的贡献不容忽视。
3.残余应力对结构或部件的影响
残余应力是构件在承受载荷前，截面上存在的初始应力。在构件服役过程中，它叠加在其他载荷引起的工作应力上，引起二次变形和残余应力的重新分布。这不仅会降低结构的刚度和稳定性，而且在温度和介质的综合作用下，会严重影响结构的疲劳强度、抗脆性断裂能力、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
当结构某一区域内由外载荷产生的应力δ与残余应力之和达到屈服点fy时，该区域的材料将产生局部塑性变形，失去承受进一步外载荷的能力，导致结构有效截面积减小，结构刚度下降。当结构上有纵、横向焊缝（如工字钢上的肋骨焊缝）时，或经过火焰矫正后，在较大的截面上可能会产生残余拉应力。虽然在构件长度上的分布范围不是太大，但它们仍然会对刚度产生较大的影响。特别是经过大量火焰矫正的焊接梁，加载时的刚度和卸载时的回弹可能会明显下降，这对于尺寸精度和稳定性要求高的结构来说是不可忽视的。
3.2 对杆稳定性的影响
当外荷载引起的压应力与残余应力中的压应力之和达到fy时，杆件截面失去进一步承受外荷载的能力，继续承受荷载的杆件有效截面减小，杆件刚度下降，稳定承载力下降。残余应力对压杆稳定承载力的影响与残余应力的分布位置有关。[2]
残余应力是一种不稳定的应力状态。当部件受到外力、温度等因素的影响时，这些应力与残余应力的相互作用使部件的某些部位产生塑性变形，内部残余应力重新分布。当外界因素去除后，整个部件就会变形。在部件的使用过程中，残余应力会松弛，所以残余应力影响部件的稳定性。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：一是构件抵抗静、动载荷作用的变形能力；二是卸载载荷后的恢复能力。残余应力在这两个方面对构件的影响都很大，因此人们一直在研究消除这些影响的有效方法。
3.3 对静载强度的影响
如果材料为脆性材料，由于材料不能发生塑性变形，随着外力的增大，构件中的应力不可能均匀分布，应力峰值会不断增大，直至达到材料的屈服极限，造成局部破坏，最终导致整个构件断裂。脆性材料中残余应力的存在会降低承载能力，导致断裂。对于塑性材料来说，在低温环境下，三轴拉伸残余应力的存在会阻碍塑性变形的发生，从而大大降低构件的承载能力。
对于焊接构件，只要构件及焊缝本身具有良好的塑性变形能力（不存在低温、动载荷等使钢材变脆的不利因素），残余应力就不会降低构件的静强度。因为当存在残余应力的构件受到逐渐增大的轴向拉力时，外载荷引起的拉应力会叠加在截面的残余应力上。在加载过程中，应力继续增大，当叠加的总应力达到材料的屈服极限fy时，构件中存在残余拉应力的截面提前进入塑性区，随后的外载荷仅由截面的弹性区承担。随着载荷的增大，弹性区减小，塑性区增大，内应力继续叠加，应力重新分布，直至整个截面上的应力达到材料的屈服极限。由于截面残余应力为自相平衡应力分布，静载荷相等，即残余应力不会降低构件的静强度。但塑性材料在一定条件下会失去塑性而变脆或部件材料塑性较低，残余应力会影响部件的静强度。由于部件得不到充分的塑性变形，在加载过程中应力峰值不断增加，直至达到材料强度极限而失效。因此，残余应力对其有影响。
3.4 对疲劳强度的影响
钢材在反复循环应力作用下，产生裂纹、扩展以至断裂的现象称为钢材疲劳。残余应力的存在，使变载荷产生的应力叠加在残余应力上，应力幅发生变化，将影响结构的疲劳强度。因此，应力集中处残余拉应力若较大，将降低疲劳强度。应力集中系数越大，残余应力的影响越显著。因此，提高疲劳强度不仅要从调整、消除残余应力入手，还应从工艺、设计角度降低结构的应力集中系数，以减小残余应力对疲劳强度的不利影响。
3.5 对部件脆性的影响
脆性破坏是指构件在几乎没有塑性变形的情况下突然开裂，并迅速蔓延至整个截面直至破坏，最容易发生在低温或变形速率增大的情况下。
当焊接结构中存在残余应力时（残余应力较大时可达fy），在外载荷作用下，有效比例极限降低，部分截面提前进入屈服，材料在发生塑性变形后，塑性变形能力降低，发生脆性变形，因此残余应力的存在使部分截面发生脆性变形，增加了构件发生脆性破坏的可能性。
裂纹扩展时结构发生脆性断裂的主要原因。焊缝在冷却过程中收缩受到约束，可能产生裂纹。这在板材较厚的焊接结构中尤为明显。例如，两块厚板呈T形连接，当两板之间没有间隙，不能相对移动时，焊缝因收缩而受到约束，产生拉应力，可能产生裂纹。如果在两板之间放置一根软钢丝，留出间隙，焊缝就有收缩的空间，就不会产生裂纹。[3]
4 残余应力的控制措施
完全消除残余应力是不现实的，但可以采取一系列措施降低残余应力的峰值。控制残余应力的目标是消除残余应力的集中和叠加，降低应力峰值，使其分布均匀，从而提高结构的整体承载能力，增强结构的安全性。措施如下：
4.1 早期应力循环
焊接残余应力往往能达到材料的屈服点fy，此时卸载拉应力δ后，残余应力的峰值从（fy-δ）处下降，如果施加的拉应力高达fy，残余应力就完全消失。因此，如果构件在前期只承受很小的拉应力夏志斌 钢结构，可以有效降低残余应力的峰值。但在工程设计中，要充分发挥消除或降低残余应力的好处并不容易。在交货前有意识地通过施加高应力幅循环载荷来消除残余应力，目前仅在某些机械行业中采用。方法是利用激振器在工作过程中产生循环应力，以降低残余应力的峰值。
长期的实践证明，在科学地选择有效的振动方式并对构件关键部位施加适当的应力后，振动时效可以有效地降低和均衡残余应力值，并能极其稳定焊接件的尺寸稳定性，尤其在异种钢焊接后，对环状钢结构稳定构件形位尺寸的作用更为明显。另外，振动时效法具有周期短、效率高、无污染的特点，不受上部尺寸、形状、重量等的限制。经前期大量实践证明，其对消除构件焊接残余应力有显著的效果。
4.2采用合理的焊接顺序
对于大型结构，焊接时应从中间向四周进行，使焊缝按顺序从中间向外侧收缩。
对于平面上的横向焊缝，应特别注意交叉处的焊接质量。如果靠近纵向焊缝的横向焊缝处存在缺陷（如未焊透），这些缺陷位于纵向焊缝的拉应力场中，将造成三维应力状态。因此，应采用保证交叉处不易出现缺陷且能自由收缩的顺序，先焊交错的短焊缝，再焊直线的长焊缝。
应先焊收缩量最大的焊缝，若结构中同时有对接焊缝和角焊缝，则应先焊对接焊缝，后焊角焊缝。
应先焊操作过程中受力较大的焊缝，以合理分布内应力。接头两端法兰角部留出一段不焊接，先焊受力最大的法兰对接焊缝，再焊腹板对接焊缝，最后焊法兰的预留角焊缝。这样，焊后法兰对接焊缝可承受压应力，而腹板对接焊缝则承受拉应力。留出角焊缝最后焊接，可保证腹板对接焊缝有一定的收缩空间，也有利于在焊接对接焊缝时采取防变形措施，防止角变形。基建焊接构件一般较大，因此焊接顺序和施工程序很重要。
4.3 间断焊接法
为了降低焊件受热程度，缩小加热范围，可根据结构的具体情况，采用间断焊接方式。例如，电弧冷焊铸铁时，每次只焊一小段焊缝，待其冷却到摸起来不太烫的程度时再焊下一段，直至整条工作缝焊完。这样，焊接区附近的金属始终处于“冷态”，可减少焊接应力。
4.4 减小焊缝尺寸
焊接过程中内应力是由于局部加热循环而产生的，因此在深化设计过程中，在满足设计要求的条件下，不宜增加焊缝尺寸和余高，优化焊缝尺寸，合理设置焊缝坡口，尽量采用双面坡口，改变焊缝越大越安全的观念。
4.5 减少焊接约束
约束度越大，焊接应力越大。首先应在最小的约束度下焊接焊缝。例如，长构件需要用条带拼接时，应尽可能在自由状态下焊接，而不要等到组装时再焊接。应按工艺完成拼接工作，然后再组装构件。如果组装后再焊接，就不能自由收缩，约束过大，产生很大的应力。
4.6 采用补偿加热方式
为了减少构件焊接过程中焊接热输入损失过快，避免焊缝在结晶过程中产生裂纹，当板材厚度达到一定厚度时，焊前应在一定范围内对焊缝进行加热。加热温度取决于板材厚度和母材碳当量。这叫焊前预热。当构件上的焊缝进行预热焊接时，构件焊缝区的温度很高。随着焊缝焊接的进行，该区域必然会产生热胀冷缩，而这一区域只占构件截面的很小一部分。加之部分母材处于冷却（常温）状态，对焊接区产生巨大的刚性约束，造成很大的应力，甚至产生裂纹。如果此时对焊缝区的对称部位进行加热，温度略高于预热温度，加热温度始终伴随整个焊接过程，则上述应力状态将大大减少，构件的变形也将大大改善。
4.7 组件的分解与构建
对于大型结构，应采用局部拼装焊接，即结构各部分应单独施工、焊接，校准后再进行拼装焊接。
5 总结
在众多能引起残余应力的方式中，焊接是十分重要的一种。焊接是利用（大多是局部的）加热或加压手段，加入或不加入填充材料，将构件以不可拆除的方式连接在一起或在基材表面堆积一层涂层的工艺过程。由于焊接时瞬间热输入的高度集中，焊接后会产生相当大的残余应力（焊接残余应力）。与负荷应力相比，焊接残余应力是在没有外力作用下产生的内力。事实上，在各种机械、机器的加工制造过程中，构件内部都会产生残余应力。产生的残余应力的状态，特别是其应力值的大小和应力的分布情况，随各种加工方式而不同。
焊接残余应力和焊接变形会严重影响制造工艺本身和焊接结构的性能，因此应采取各种有效措施尽量减少焊接残余应力和焊接变形，本文正是基于此点，希望读者批评指正。
参考
[1]夏志斌、姚建.钢结构原理与设计.中国建筑工业出版社，2003
[2]陈吉，钢结构稳定理论与设计.科学出版社，2006
[3]陈少帆，钢结构设计原理。科学出版社，2005
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