1、 关于避免应力集中和消除建筑钢结构中残余应力的一些讨论一、避免应力集中：1、应力集中现象及概念材料在交变应力作用下产生的破坏称为疲劳破坏。通常材料承受的交变应力远小于其静载下的强度极限时，破坏可能发生。另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大，这种现象称为应力集中。对 于 由 脆 性 材 料 制 成 的 构 件 ， 应 力 集 中 现 象 将 一 直 保 持 到最 大 局 部 应 力 到 达 强 度 极 限 之 前 。 因 此 ， 在 设 计 脆 性 材 料 构 件 时 ， 应 考 虑 应 力 集 中 的 影响 。 对 于 由 塑 性 材 料 制 成 的 构 件 ， 应 力 集 中 对
2、其 在 静 载 荷 作 用 下 的 强 度 则 几 乎 无 影 响 。所 以 ， 在 研 究 塑 性 材 料 构 件 的 静 强 度 问 题 时 ， 通 常 不 考 虑 应 力 集 中 的 影 响 。承受轴向拉伸、压缩的构件，只有在寓加力区域稍远且横截面尺寸又无剧烈变化的区域内，横截面上的应力才是均匀分布的。然而实际工程构件中，有些零件常存在切口、切槽、油孔、螺纹等，致使这些部位上的截面尺寸发生突然变化。如开有圆孔和带有切口的板条，当其受轴向拉伸时，在圆孔和切口附近的局部区域内，应力的数值剧烈增加，而在离开这一区域稍远的地方，应力迅速降低而趋于均匀。这时，横截面上的应力不再均匀分布，这已为理论
3、和实验证实。图 2-31图 2-32在静荷载作用下，各种材料对应力集中的敏感程度是不同的。像低碳钢那样的塑性材料具有屈服阶段，当孔边附近的最大应力达到屈服极限时，该处材料首先屈服，应力暂时不再增大。如外力继续增加，增加的应力就有截面上尚未屈服的材料所承担，是截面上其他点的应力相继增大到屈服极限，该截面上的应力逐渐趋于平均，如图 2-32 所示。因此，用塑性材料制作的零件，在静载荷作用下可以不考虑应力集中的影响。而对于组织均匀的脆性材料，因材料不存在屈服，当孔边最大应力的值达到材料的强度极限时，该处首先断裂。因此用脆性材料制作的零件，应力集中将大大降低构件的强度，其危害是严重的。这样，即使在静载
4、荷作用下一般也应该考虑应力集中对材料承载能力的影响。然而，对于组织不均匀的脆性材料，如铸铁，其内部组织的不均匀性和缺陷，往往是产生应力集中的主要因素，而截面形状改变引起的应力集中就可能成为次要的了，它对于构件的承载能力不一定会造成明显的问题。2、现实中避免应力集中的一些方法（1）包装结构设计中，应力集中避免与利用受力零件或构件在形状、尺寸急剧变化的局部出现应力显著增大的现象。如传动轴轴肩圆角、键槽、油孔和紧配合等部位，受力后均产生应力集中。这些部位的峰值应力从集中点到邻近区的分布有明显的下降，呈现很高的应力梯度。零件的早期失效常发生在应力集中的部位,因此了解和掌握应力集中问题，对于机械零件的合
5、理设计和减少机械的早期失效有重要意义。弹性力学中的一类问题，应力在固体局部区域内显著增高的现象。多出现于尖角、孔洞、缺口、沟槽以及有刚性约束处及其邻域。应力集中会引起脆性材料断裂；使物体产生疲劳裂纹。在应力集中区域，应力的最大值（峰值应力）与物体的几何形状和加载方式等因素有关。局部增高的应力值随与峰值应力点的间距的增加而迅速衰减。由于峰值应力往往超过屈服极限而造成应力的重新分配，所以，实际的峰值应力常低于按弹性力学计算出的理论峰值应力。反映局部应力增高程度的参数称为应力集中系数 k，它是峰值应力与不考虑应力集中时的应力的比值，恒大于 1 且与载荷大小无关。在无限大平板的单向拉伸情况下，其中圆孔
6、边缘的 k3；在弯曲情况下，对于不同的圆孔半径与板厚比值，k1.83.0 ；在扭转情况下，k1.6 4.0。1898 年德国的 G.基尔施首先得出圆孔附近应力集中的结果 。1910 年俄国的 G.V.科洛索夫求出椭圆孔附近应力集中的公式。20 世纪 20 年代末 ，苏联的 N.I.穆斯赫利什维利等人把复变函数引入弹性力学，用保角变换把一个不规则分段光滑的曲线变换到单位圆上，导出复变函数的应力表达式及其边界条件，进而获得一批应力集中的精确解。各种实验手段的发展也很快，如电测法、光弹性法、散斑干涉法、云纹法等实验手段（见实验应力分析）均可测出物体的应力集中。近年来计算机和有限元法以及边界元法的迅速
7、发展，为寻找应力集中的数值解开辟了新途径。为避免应力集中造成构件破坏，可采取消除尖角、改善构件外形、局部加强孔边以及提高材料表面光洁度等措施；另外还可对材料表面作喷丸、辊压、氧化等处理，以提高材料表面的疲劳强度。用 ANSYS 模拟钢筋混凝土梁两点对称加载，集中荷载如何布置才能避免应力集中造成混凝土过早破坏！ 在加载点加一个垫块。通过等效线荷载施加好像值得试试，不过线荷载分布长度不宜太大！曲线预应力筋作用按照等效荷载作用替代，端头轴力按照实际锚具承压端板大小划分一个面，在此面作用轴压力，可以解决集中力过大问题。 北京奥运会体育场游泳馆的幕墙 ETFE 膜结构幕墙设计要点 （4）关键节点的设计，
8、以避免应力集中；摘 要：探讨加权组合预测方法在应力集中问题中的应用,以带小孔的拉板为例,对采样点的数据分别建立 GM(1,1)模型、趋势曲线预测模型和最优加权组合预测模型 ,并对各模型的误差和进行比较.结果表明, 组合预测模型的拟合和预测精度比单个模型要高. 因此,用最优加权组合预测模型来推求应力集中区的最大应力,是工程测试数据处理的一种比较实用的新方法.边界元法在舱口角隅应力集中问题中的应用灰色系统模型及其在应力集中问题中应用在工程结构的凹角、缺口、沟槽、孔洞附近均会发生应力集中，其中孔洞附近的应力局部增高称为孔边应力集中。在水利工程中，大坝的坝踵附近以及坝内廊道附近的应力局部增高是应力集中
9、的典型实例。 由于应力集中能使结构发生裂纹，甚至断裂，须采取措施，防止因应力集中而造成的结构损坏，主要措施有：改善结构外形，避免形状突变，尽可能开圆孔或椭圆孔；结构内必须开孔时，尽量避开高应力区，而在低应力区开孔；根据孔边应力集中的分析成果进行孔边局部加强。（2）实际工程中圆滑的角避免应力集中在制作各种拉力工具时，拉脚的拐弯处应设圆角，这并不是为了美观，这是为了避免应力集中。应力集中指由于受力构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起的局部范围内内应力显著增大的现象。应力集中会造成构件的断裂。圆角的大小应根据工具的外形尺寸决定，太大影响工具的效应，太小工具容易断裂损坏。对于常用的较小拉制工具，圆
10、角半径在 2-3 毫米为佳，较大在 5 毫米左右。对于特殊形状的工具根据实际情况确定。但或大或小必须留圆角。二、建筑钢结构的焊接残余应力与消除方法探索1、建筑钢结构的残余应力- 7 V- B; g“ H1 k建筑焊接钢结构与一般的焊接构一样，同样存在焊接残余应力。以上海安亭蕴藻浜大桥为! 0 U M“ a3 $ z3 表 17 X“ c; n2 B+ V7 y* j结果表明：下表面焊缝为先焊焊缝，残余应力水平比较低，而后焊接的上表面焊缝的应力水平则很高，个别值接近母材 s，平均值接近或超过 s/2 水平；下文表 2、3、4 的数据也可以证实这种状况。焊接构件由于存在高的拉伸残余应力，且焊缝部位
11、存在热影响区、焊趾缺陷、接头应力集中，形成构件上组织和力学的薄弱部位，有可能导致构件运行时的变形、早期开裂、应力腐蚀、疲劳断裂和脆性断裂。因此，在可能的情况下采用适合的时效工艺以改善组织性能及消除残余应力，将可有效地提高构件的稳定性和安全性及使用寿命。6 t. Y4 2 建筑钢结构残余应力的消除工艺/ 1 E2 k/ I2 g实际上一些高要求的建筑大型焊接钢结构上已采用了时效工艺，包括有技术标准支持的热时效、振动时效、TIG 重熔和锤击工艺，以及研发中的振动焊接、超声冲击、爆炸法技术。2.1 热时效表 2 金茂大厦转换柱热时效消应力效果分析表残余应力（MPa） 最大主应力 最小主应力 纵向应力
12、 横向应力热处理前平均值 135 51 58 1289 E+ |- e+ L$ O% |热处理后平均值 79 16 30 64热处理前后差值 56 35 28 64变化率（%） 41 68 48 50对重要焊接构件先进行整体热时效，然后在现场与其它构件进行组合拼焊的工艺是建筑钢结构制造常采用的方法。上海金茂大厦的钢架采用全焊接结构，在工厂完成零部构件制造、且对受力构件转换柱先进行整体热时效，然后运现场拼焊。采用盲孔法残余应力测量技术对转换柱热时效工艺效果的评定结果见表 2。目前，热时效仍是一种主流工艺，其具有焊缝去氢、恢复塑性和消应力三重功能。一般认为热时效的消应力效果为 4080，表 2 的
13、结果符合这个规律；然而对建筑钢结构而言，现场拼焊而产生的残余应力将依然存在于钢结构中，而在现场进一步采用热时效工艺就十分困难了；局部热时效可以降低被处理焊接接头的应力，但加热带边缘会产生新的热处理应力，且局部热时效实施比较困难，能耗很大。因此，需考虑其它补充、替代工艺。# l8 t D$ i# S v0 j, * 8 k振动焊接（VW or VCW）+ E“ v, B/ m5 - b振动焊接又称振动调制焊接、随焊振动，是目前国内外正在研发的新技术；在振动时效标准的附录中，已确认为可与振动时效组合的工艺之一1。其不改变原有的焊接工艺；在焊接过程，通过一个几百瓦的小激振器对构件注入频率和振幅可控的
14、振动，即形成振动焊接。这种限幅的振动，势必对焊接熔池和热影响区产生一定的作用： d 8 n# l0 v4 L! i当焊缝金属在熔融状态下，由于振动使气泡、杂质等容易上浮、排除。工程 材料尺寸 mm/ 重量 ton 消应力效200 吨级行车大梁 Q235 29000*3200*2000 13-224000 吨级锻机上横梁 Q235 130 吨 29港口起重机卷筒体 Q345 D1400*1380050 30568 M6 i2 L; R8 H 1 v; |; R6 V磁悬浮交通功能件 16Mn+软磁钢 3000*500*450 31, j/ o8 7 r/ Y* j香港理工大学土木及结构工程系 中国香港(滕锦光;钟国辉) 出版时间：2007-035、王威,王社良,苏三庆,徐金兰;钢铁材料结构构件工作应力的检测方法及特点J;钢结构;2004 年 05 期6、陈会丽;爆炸焊接复合板界面残余应力的研究 D;昆明理工大学;2005 年7、李荣锋,谭伯聪,李立军,邱保文; 爆炸法消除 100t 转炉炉壳中腰环缝的焊接残余应力 J;冶金设备;2000 年 01 期8、李荣锋;戴树和;沈士明;吴国运; 爆炸预处理提高 WD 钢模拟 CGHAZ 韧性的研究A;2001 中国钢铁年会论文集（下卷）C;2001 年
