膜结构工程钢材焊接应力分类和产生原因

钢结构在焊接过程中，局部区域受到高温作用，焊接中心处可达 1600℃以上。不均匀的加热和冷却，使构件产生焊接变形。同时，高温部分钢材在高温时的体积膨胀以及在冷却时的体积收缩均受到周围低温部分钢材的约束而不能自由变形，从而产生焊接应力。

焊接应力根据应力方向与钢板长度方向以及钢板表面的关系可分为纵向应力、横向应力和厚度方向应力。其中纵向应力是沿焊缝长度方向的应力，横向应力是垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力，厚度方向应力则是垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。

(1) 纵向焊接应力

焊接结构中焊缝沿焊缝长度方向收缩时产生纵向焊接应力。

例如在两块钢板上施焊时，钢板上产生不均匀的温度场，从而产生了不均匀的膨胀。焊缝附近高温处的钢材膨胀最大，稍远区域温度稍低，膨胀较小。

膨胀大的区域受到周围膨胀小的区域的限制，产生了热塑性压缩。冷却时的过程与加热时刚好相反，即焊缝区钢材的收缩受到两侧钢材的限制。相互约束作用的结果是焊缝中央部分产生纵向拉力，两侧则产生纵向压力，这就是纵向收缩引起的纵向应力。

又如三块钢板拼成的工字钢(图 1(b))，腹板与冀缘用焊缝顶接，翼缘与腹板连接处因焊缝收缩受到两边钢板的阻碍而产生纵向拉应力，两边因中间收缩而产生压应力，因而形成中部焊缝区受拉而两边钢板受压的纵向应力。腹板纵向应力分布则相反，由于腹板与翼缘焊缝收缩受到腹板中间钢板的阻碍而受拉，腹板中间受压，因而形成中间钢板受压而两边焊缝区受拉的纵向应力。

(2) 横向焊接应力

焊缝的横向(垂直焊缝长度方向)焊接应力包括两部分：

其一是由于焊缝纵向收缩，使两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形，而实际上焊缝将两块板连成整体，从而在两块板的中间产生横向拉应力，两端则产生应力

其二是由于焊缝在施焊过程中冷却时间的不同，先焊的焊缝凝固后具有一定强度，阻止后焊的焊缝进行横向自由膨胀，使之发生横向塑性压缩变形。随后冷却焊缝的收缩受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力，因应力自相平衡，更远处的焊缝则受拉应力(图 2(c))。这两种横向应力叠加成最后的横向应力

(3) 厚度方向焊接应力

较厚钢板焊接时，焊缝与钢板和空气的接触面散热较快而先冷却结硬，厚度中部的冷却比表面的冷却缓慢因而使收缩受到阻碍，形成中间焊缝受拉，四周受压的状态。因而焊缝在厚度方向出现应力σz。当钢板厚度＜25mm 时，厚度方向的应力不大；但板厚≥50mm 时，厚度方向应力较大，可达50N/ mm² 左右。