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第三章 钢结构的连接
3.5 焊接应力和焊接变形
3.5.1 焊接残余应力的分类及其产生的原因
（1）焊接残余应力的分类
（a）纵向焊接残余应力—沿焊缝长度方向;
（b）横向焊接残余应力—垂直于焊缝长度方向;
（c）沿厚度方向的焊接残余应力。
（2）焊接残余应力产生的原因
（a）纵向焊接残余应力
焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝处可达1600oC，而邻近区域温度骤降。高温钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制，产生热态塑性压缩，焊缝冷却时被塑性压缩的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限制而产生拉应力。
对于低碳钢和低合金钢，该拉应力可以使钢材达到屈服强度。焊接残余应力是无荷载的内应力，故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力。
（b）横向焊接残余应力产生的原因
1）焊缝的纵向收缩，使焊件有反向弯曲变形的趋势，导致两焊件在焊缝处中部受拉，两端受压；
2）焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生横向塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力；应力分布与施焊方向有关。
不同施焊方向下，焊缝横向收缩时产生的横向残余应力：
以上两种应力的组合即为，横向焊接残余应力。
（c）沿厚度方向的焊接残余应力
在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊，焊接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力。
因此，除了横向和纵向焊接残余应力σx,σy 外，还存在沿厚度方向的焊接残余应力σz，这三种应力形成同号(受拉)三向应力，大大降低连接的塑性。
3.5.2 焊接残余应力对结构性能的影响
（1）对结构静力强度的影响
（2）对结构刚度的影响
（a）当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已经达到fy ，故该部分刚度为零（屈服），这时在N作用下应变增量为：
（b）当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为：
因为B-b<B，所以△ε1> △ε2。
结论：
焊接残余应力的存在增大了结构的变形，即降低了结构的刚度。
另外，对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力（后续章节将讲到）。
（3）对低温冷脆的影响
对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，限制了其塑性的发展，增加了钢材低温脆断倾向。
所以，降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能的重要措施。
（4）对疲劳强度的影响
在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。
3.5.3 焊接变形分类
焊接变形包括：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等，通常是几种变形的组合。
3.5.4 减小焊接残余应力和焊接变形的措施
（1）设计上的措施
（a）焊接位置的合理安排
（b）焊缝尺寸要适当
（c）焊缝数量要少，且不宜过分集中
（d）应尽量避免两条以上的焊缝垂直交叉
（e）应尽量避免母材在厚度方向的收缩应力
（2）加工工艺上的措施
（a）采用合理的施焊顺序
（b）采用反变形处理
（c）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理
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第一章 钢结构概述
第二章 钢结构的材料
第三章 钢结构的连接
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