【摘要】层状撕裂是钢结构厚板中的一种脆性断裂形式,通常发生在十字形接头､T形接头和角接接头中｡本文结合正在进行的《钢结构设计规范》(GB50017-2003)的修订工作,对钢结构厚板的层状撕裂问题进行专门的研究综述｡从钢材材质､接头应力状态及焊接工艺等三方面分析了层状撕裂的产生机理及其影响因素;并从钢材选材､结构接头设计､加工及焊接工艺措施等方面提出了防止钢结构厚板层状撕裂的技术措施｡最后,简要介绍了国内外关于钢结构厚板层状撕裂的相关研究进展｡本文对厚板钢材的选材及防止钢结构厚板的层状撕裂具有一定的指导意义｡
【关键词】钢结构;厚板;焊接;层状撕裂;厚度方向性能
钢结构厚板广泛应用于建筑结构､大型桥梁､海洋平台､压力容器､核反应堆安全壳等工程领域｡我国现行钢材标准《碳素结构钢》(GB/T700-2006)将板厚扩大到200mm,《低合金高强度结构钢》(GB/T1591-2008)将板厚扩大到400mm,《建筑结构用钢板》(GB19879-2005)和《桥梁用结构钢》(GB/T714-2000)将板厚都扩大到了100mm,《厚度方向性能钢板》(GB5313-85)适用板厚范围在15mm-150mm｡在实际工程中,建筑钢结构厚板广泛应用于高层结构､大跨度空间结构的箱形柱及H形柱结构,厚板一般在40mm-130mm,典型的建筑工程如表1所示;在桥梁工程中,厚板钢材主要用于主桁杆件､箱梁等,厚板一般在40mm-80mm,典型的桥梁工程如表2所示｡国外钢结构厚板的应用早于国内,我国20世纪80年代兴建的一批高层钢结构建筑中厚板钢材多为进口[1]｡日本《建筑结构用轧制钢材》[2](JISG3136-2005)SN系列和《焊接结构用轧制钢材》[3](JISG3106-2008)SM系列钢材标准最大适用板厚为100mm;欧盟厚度方向性能钢材标准EN10164-2004[4]最大适用板厚为250mm;美国热轧钢材厚板主要厚度范围为50mm-230mm[5]｡厚板钢材的冶炼､轧制工艺决定了钢板三个方向的力学性能存在着差异,硫､磷偏析和非金属加杂物等缺陷使钢板产生分层现象｡钢板的分层使其厚度方向(Z向)的延性降低[5,18],承受厚度方向拉应力时容易产生层状撕裂,如图1所示｡随着钢板厚度及结构体系复杂度的增加,钢结构焊接难度大大提高,出现沿板厚方向层状撕裂的倾向性也相应增大｡工程实践中,厚板层状撕裂的事故时有发生,有时采用抗层状撕裂的Z向钢材也不能完全抵抗层状撕裂,这使得对层状撕裂的产生机理及防止措施的研究非常必要｡虽然,钢材的生产标准已能基本满足厚板工程的需要,但是现行钢结构设计规范关于厚板方面的相关规定较少｡本文结合正在进行的《钢结构设计规范》(GB50017-2003)的修订工作[20],对钢结构厚板的层状撕裂问题进行了专门研究｡本文从厚板工程中的层状撕裂事故分析入手,阐述了层状撕裂产生的机理及其影响因素,结合国内外相关规范及工程实践提出了防止层状撕裂的措施,并综述了国内外关于厚板Z向性能及层状撕裂的研究进展;希望对规范修订工作中厚板钢材选材､厚板焊接节点设计及焊接工艺措施改进等方面提供一定的参考作用｡
1 钢结构厚板的层状撕裂事故案例分析
层状撕裂按启裂源和发展方向可分为三种主要类型:以焊根裂纹､焊趾裂纹等冷裂纹为启裂源向焊接热影响区(HAZ)扩展的层状撕裂,以呈薄片状非金属夹杂物为启裂源并沿HAZ扩展的层状撕裂,以及远离HAZ于板厚中心附近产生的层状撕裂｡层状撕裂常出现在十字形焊接接头,T形接头和角接接头次之,对接接头很少出现,但在焊根和焊趾处由于冷裂纹的诱导也可能会出现层状撕裂[6];易于发生层状撕裂的典型焊接接头示意图如图2所示｡在大量的厚板焊接工程中,由于结构设计的需要,不可避免地存在着十字形､T形和角接接头,如箱形柱的角接接头､框架梁柱节点中梁翼缘与柱翼缘的T形接头等｡实际工程中,由于钢材选材不当､节点设计不合理､焊接工艺不当等原因,焊接接头的层状撕裂现象时有发生,以下是一些典型的事故案例｡
(1)香港鸭利洲海上花园桥架工程全部由工字钢焊接而成,钢材为BS-4306､BS-5013(硫含量较高),最大板厚75mm,大部分工字钢板厚均在30mm以上,在T形接头和斜T形接头处产生了大量的层状撕裂[21],其形式类似于图2(a)､(b)｡
(2)天津国贸中心工程中,箱形柱在车间焊接完工后即出现严重的层状撕裂现象,形式类似于图2(d),造成3000多吨厚度为90mm-150mm钢板的浪费｡钢材为日本进口,订货时没有要求新日铁提供抗层状撕裂钢板,尽管日方提供的钢材化学成分和Z向性能全部满足要求,但是钢板中硫化物､氧化物､硅酸盐､氮化物等四类夹杂物含量很高｡产生层状撕裂的原因是钢材非金属夹杂物含量高及对进口厚板的性能不了解[22]｡重庆某高层钢结构酒店工程中,36mm厚的钢板发生严重的层状撕裂,导致数千吨钢材的浪费｡上海某枢纽大厦工程中也出现过类似情况[23]｡
(3)宝钢二号高炉炉顶法兰是由板厚60mm的BB502钢板焊接而成,在焊接完工不到24h内,法兰内表面出现了严重的层状撕裂,长度为1020mm连续不断的双层裂纹占法兰内表面周长的10.5%;法兰层状撕裂主要是由于设计不合理所致,直接原因是拘束力过大,焊缝没有收缩余地,造成极大的拉应力场,而钢材材质､焊接顺序不合理等原因是次要因素[24]｡
(4)中间包是钢厂连铸生产线中的重要备件,某钢厂中间包外侧板T形接头在焊接后沿钢板厚度方向出现了台阶式的层状撕裂,钢材为Q235A,S､P含量高于0.02%,板厚为25mm-50mm｡产生层状撕裂的主要原因是钢材材质问题｡
(5)某钢铁公司十几套转炉设备的生产中,转炉托圈发生过不同程度的盖板层状撕裂,托圈是用100mm-200mm厚的盖板与80mm厚的腹板焊接而成的箱形结构,钢材为16Mn,层状撕裂现象类似于图2(d)的形式｡坡口形式不当及厚板焊接接头拘束应力过大是盖板层状撕裂的主要原因[26]｡
(6)国内某钢厂高炉的框架箱形柱,钢材为Q345B,板厚42mm,焊接完工后角接接头中未开坡口的盖板厚度方向产生了层状撕裂,其形式类似于图2(d)｡除钢材选材不当外,坡口形式不合理等是造成层状撕裂的主要原因[27]｡从上述工程事故案例的分析可见,造成厚板层状撕裂的原因主要有以下几点:
①钢材材质问题,含硫､磷等非金属夹杂物较高,如案例(1)､(2)､(4)､(6);
②焊接接头坡口形式不当､钢板过厚等造成拘束应力过大,如案例(3)､(5)､(6);
③对进口厚板钢材基本性能和焊接性能了解不够,如案例(2)｡
2 层状撕裂的产生机理及其影响因素
钢材的冶炼､轧制成形工艺使得厚板的Z向性能与轧制平面内的性能存在着较大差异,轧制后钢材内部的非金属夹杂物被压成薄片状,一般与钢板表面平行,而使钢材出现分层现象,使钢板沿厚度方向的受拉性能劣化[18]｡厚板在焊接接头拘束应力､焊接残余应力及外加荷载拉应力作用下,常发生平行于钢板轧制方向的层状撕裂｡
2.1层状撕裂的产生机理
层状撕裂现象既可在焊接中及焊后冷却过程中产生,也可在焊接施工完后结构在外加荷载作用下产生｡层状撕裂产生的条件主要有:(1)材质条件,含硫量高的大厚度低碳钢､低合金钢､沉淀强化低合金钢等,厚板的夹杂物呈条状分布且量较多,形态分布特征不佳;(2)强大的Z向拉伸应力场,焊接残余应力､拘束应力和沿板厚方向的外荷载都可能引起Z向拉应力｡层状撕裂产生的原因主要是夹杂物本身强度很低且与基体金属的结合强度低,在钢板厚度方向焊接拘束应力､焊接残余应力和(或)荷载拉应力作用下,夹杂物或夹杂物与基体金属发生剥离,裂纹萌生;根据断裂力学的观点,随外荷载的增加,裂纹尖端应力强度因子(裂纹驱动力)不断增大,裂纹扩展,当两条层状撕裂裂纹尖端很接近时,两条裂纹尖端塑性变形区相接触,发生剪断(45°)呈一条大裂纹｡有时在垂直于轧制平面的剪切应力作用下,裂纹从一个层状平面扩展至另一个层状平面,形成台阶式的层状撕裂,如图1所示｡层状撕裂的产生及扩展过程中,焊接热影响区的氢脆作用和应变时效脆化也起着一定的促进作用[19]｡层状撕裂平面中的非金属夹杂物(MnS)的微观图如图3所示[19],层状撕裂的形成示意图如图4所示[28] 。
2.2层状撕裂的主要影响因素
(1)钢材材质
钢结构厚板的层状撕裂敏感性首先取决于钢材材质｡钢材中都含有一定量的不同类型的非金属夹杂物,最常见的有MnS､SiO2和Al2O3夹杂物｡这些夹杂物与基体金属的结合力均低于基体金属本身的强度,无论是哪种非金属夹杂物都可能导致产生层状撕裂,因此关键的因素是夹杂物的尺寸､分布及形态[29]｡当沿钢材轧制方向有较多MnS时,层状撕裂以阶梯状出现,以SiO2夹杂为主时常呈直线状,以Al2O3夹杂为主则呈不规则的阶梯状[6]｡根据板厚方向的拉伸断面收缩率Υz,可以对钢板厚度方向的塑性和韧性进行评定,进而评定钢材抗层状撕裂的能力｡一般的,钢材含硫量越大,Z向断面收缩率越低,抗层状撕裂的能力越差｡国内外学者对含硫量与断面收缩率的关系得到了一致的试验结果[5,19,29,30],如图5所示为日本学者得到的试验结果｡层状撕裂不仅与夹杂物特性有关,而且与基体金属本身的塑性和韧性有关｡从层状撕裂的形成机理可知形成层状平面内相邻夹杂物间的“平台”(Terraces)部分与相邻平面间的“剪切壁”(Wall)部分,裂纹将在基体金属中扩展｡影响基体金属塑性和韧性的因素较多,有晶粒细化程度､金相组织状态､应变时效脆化和氢脆作用等｡根据钢材化学成分､夹杂物､扩散氢含量可以评定钢材的层状撕裂敏感性PL,其中Pcm为化学冷裂纹系数[11]。
(2)接头应力状态
由于钢结构体系设计的需要,焊接连接不可避免地会出现一些十字形接头､T形接头和角接接头,这些接头形式的出现增大了产生层状撕裂的敏感性｡钢结构体系应力应变状态的复杂性,使焊接接头中钢板Z向受力增加,同样增加了层状撕裂的倾向性;引起钢板Z向受力的直接因素有焊接接头的拘束应力和结构荷载应力等｡文献[6]总结厚板焊接工程的实践指出,采用60mm厚的Q345GJC-Z15优质钢材(经UT检测无非金属夹杂物),抵抗不了十字形焊接接头强大的拉伸应力而产生层状撕裂,表明强大的拉伸应力场是产生层状撕裂的根本原因｡不同的焊接接头形式､坡口形式､熔透焊程度(全熔透焊､部分熔透焊､非熔透焊)等都会影响接头的拘束度及应力状态,层状撕裂的敏感性也不同｡
(3)焊接工艺因素
焊接工艺参数､细节繁多,对层状撕裂的影响也非常复杂｡焊缝尺寸及焊缝金属熔敷量,焊接坡口的构造细节,接头的加工精度及构件的切割加工方法,焊接材料的类型及焊缝金属的强度､韧度,焊接的顺序,焊道层次,焊接热输入量,焊接的预热温度､层间温度及后热处理等因素,都影响着钢结构厚板对层状撕裂的敏感性｡氢脆作用对厚板的层状撕裂具有重要的影响,采用低氢型焊材和焊后消氢处理可以降低扩散氢含量,降低层状撕裂的敏感性｡
3 钢结构厚板层状撕裂的防止措施
大型厚板焊接结构中,当板厚方向作用拉应力,特别是循环拉应力作用时,焊缝冷却收缩引起焊缝热影响区或附近母材的层状撕裂是一种非常危险的缺陷[29]｡层状撕裂的危险性在于它的隐蔽性与脆性破坏特征:现有的无损检测(NDT)技术难以发现层状撕裂,即使发现也难以修复且成本很高;在循环拉应力作用下,断续的单个层状撕裂面很快扩展形成一个大的裂纹,再扩展直至结构破坏,断裂发生突然;并且层状撕裂很难处理断根,当结构使用中应力突然增大时仍有可能再次发生层状撕裂｡如何防止厚板的层状撕裂已成为厚板焊接结构设计中的重要问题,主要涉及钢材选材､焊接接头设计及焊接工艺措施选择等三方面｡
3.1钢材选材
美国国家标准AWSD1.1/D1.1M-2006《钢结构焊接规范》[31]对承受厚度方向荷载的母材中的层状撕裂有明确的阐述:钢材通过轧制生产以用于钢结构的型材和板材,母材在不同正交方向上具有不同的力学性能｡虽然美国钢材生产标准中没有对Z向性能提出具体的规定,但以上条文论述为层状撕裂的处理指明了方向,就是要在层状撕裂敏感性较大的焊接接头采用具有抗层状撕裂能力的Z向钢材,Z向断面收缩率指标由供需双方协议决定｡日本焊接学会WES3008[32]和欧洲Eurocode3[33]都建立了层状撕裂敏感性的评定方法和Z向钢材的选材标准｡日本规范中对层状撕裂的敏感性指数以Z表示,按式(4)计算,各单项因素的层状撕裂敏感性指数按规范[32]规定选取｡Z=Za+Zb+Zc+Zd(4)式中:Za为焊脚尺寸因素;Zb为接头形式因素;Zc为弯曲拘束度因素; Zd为拉伸拘束度因素。欧洲规范对层状撕裂的敏感性指数以 ZEd表示, 按式(5)计算,各项取值按规范[33]表3.2选取。ZEd =Za +Zb +Zc +Z d +Ze ( 5)式中:Za为焊脚尺寸因素;Zb为焊缝形状及位置因素; Zc为板厚使收缩受拘束因素; Zd 为结构其它部件对收缩的拘束度因素; Ze为焊接预热因素。我国还没有层状撕裂敏感性评定的相关标准,但借鉴国外标准和结合我国的工程实践经验,《建筑钢结构施工手册》[34]表5-122给出了类似的评定方法｡层状撕裂的敏感性指标以LTR(LamellarTearingRisk)表示,其影响因素为:焊脚尺寸INF(A)､焊接接头形式INF(B)､接头横向拘束INF(C)､拘束度RFINF(D)､预热条件INF(E)等五类｡根据评定得到的层状撕裂敏感性指标Z､ZEd､LTR可按表3给出的各国Z向钢材等级,选择相应的Z向钢材｡我国GB5313-85[35]､日本JISG3199[36]､欧洲EN10164[4]等厚度方向性能钢材标准分别对Z向钢材作了具体的规定｡厚板的Z向性能主要包括Z向断面收缩率和含硫量(纯净度)两个指标,我国､日本和欧洲各国的Z向拉伸试验断面收缩率指标基本一致,含硫量指标略有差异。除基于层状撕裂敏感性评定方法的Z向钢材选材外,根据钢材的化学成分保证厚板的碳当量Ceq或冷裂纹敏感系数Pcm限值,以降低厚板层状撕裂的倾向性｡文献[1]基于丰富的工程实践提出了厚板抗层状撕裂的选材建议｡当前广泛应用于高层建筑钢结构的高性能厚板钢材及其标准有:我国《高层建筑结构用钢板》(YB4104)GJZ向钢材,即现行规范《建筑结构用钢板》(GB19879-2005);日本《建筑结构用轧制钢材》[2](JISG3136)SN系列建筑专用高性能钢材,《焊接结构用轧制钢材》[3](JISG3106)SM系列焊接专用钢材;美国《结构级高强度低合金铌钒钢》[37]ASTMA572/A572M钢材等｡
3.2结构焊接接头的设计
防止焊接接头层状撕裂的结构设计措施,主要目的是尽量减小厚度方向的拉应力,包括焊接接头拘束应力和工作荷载应力｡各种形式的焊接接头,如十字形接头､T形接头､角接接头等,当板厚较大时都会在厚度方向产生收缩应力｡因此在厚板钢结构的设计中,都应重视厚板的层状撕裂问题,特别是存在厚度方向拉应力的焊接接头｡从工程实践中,可得到以下一些防止层状撕裂的技术思路:
(1)合理地设计结构节点,减小作用于钢板厚度方向的外荷载;
(2)合理的接头形式和坡口设计,谨慎布置节点加劲肋[6],降低焊接接头的Z向拘束应力和焊接残余应力;
(3)在满足受力要求的情况下,尽量减小焊缝尺寸及焊缝截面积,降低热影响的脆化作用;
(4)尽可能扩大承受垂直作用于接头表面荷载的节点面积以降低板厚方向的拉应力｡我国《建筑钢结构焊接技术规程》[38](JGJ81-2002)第4.5节对翼缘板厚度≥20mm时,对防止板材产生层状撕裂的节点形式作了建议性规定;《高层建筑民用钢结构技术规程》[39](JGJ99-98)第10.6.14条对30mm以上厚板防止层状撕裂的接头设计构造形式作了规定｡根据相关规范要求和工程实践,本文总结了十字形接头､T形接头及角接接头防止层状撕裂的节点构造形式,如表4所示 在十字形接头､T形接头及角接接头中,为防止厚板产生层状撕裂,宜采取下列节点构造设计:
(1) 采用较小的焊接坡口角度及间隙,“鸟巢”厚板焊接工程实践表明,坡口角度以30°-35､间隙以6mm-10mm为宜[6];
(2)采用贯通板受力的节点形式,如表4中(b);
(3)采用双面对称坡口焊接,对称全熔透焊或部分溶透焊,如表4中(f)､(g);
(4)角接接头中,采用对称坡口或偏向于竖板的坡口,如表4中(i)､(j);
(5)在T形或角接接头中,板厚方向承受焊接拉应力的板材端头伸出接头焊缝区,如表4中(l);
(6)在十字形､T形接头中,采用过渡段(铸钢节点),以对接拼接接头取代｡
3.3加工及焊接工艺
我国《建筑钢结构焊接技术规程》[38](JGJ81-2002)6.3节和《高层建筑民用钢结构技术规程》[39](JGJ99-98)第10.6.14条对防止层状撕裂的加工及焊接工艺措施作了规定｡结合规范及相关研究,本文总结了如下工艺措施:
(1)钢构件､坡口加工,热加工时避开蓝脆温度(200℃-300℃)和红脆温度(900℃-950℃),以避免钢材塑性和韧性的降低;冷加工时,确保一定的曲率半径(R>15t),以减小应变时效脆化[29]｡
(2)箱形柱角接接头当板厚≥80mm时,板边火焰切割面宜用机械方法去除淬硬层｡
(3)焊接前,对母材焊道中心线两侧各2倍板厚加30mm的区域进行UT检查,母材中不得有裂纹､夹层及分层等缺陷存在[39]｡
(4)选择高熔敷效率的低氢型焊接方法,如MAG焊和MIG焊等;采用低氢型､超低氢型焊材,焊材强度适中,并有较高塑性和韧性｡
(5)在满足受力要求的情况下尽可能选择屈服强度低的焊条,有助于在焊缝金属和母材中形成应力重分布减轻接头中母材的变形集中现象[18]｡
(6)采用低强度焊条在坡口内母材板面上先堆焊塑性过渡层｡
(7)采用合理科学的焊接顺序,控制焊接线能量,采用多层多道焊,降低板厚方向的拘束度及焊接残余应力｡
(8)选择合理的预热､后热温度及层间控制温度,降低拘束应力及扩散氢含量｡
(9)采用非常规的道间消除应力法,如锤击､打渣等行之有效的方法[6]｡
4 国内外相关研究进展
早期对层状撕裂的研究主要集中在压力容器､海洋石油平台､船舶工业领域等｡20世纪70年代,美国海洋警卫队交通运输部(DepartmentofTransportation,U.S.CoastGuard)资助的一项研究项目SSC-290,对船舶工业中的厚钢板层状撕裂问题进行了系统的研究[40]｡日本焊接学会在20世纪70-80年代,对焊接钢结构的层状撕裂进行了大量的试验研究,开始对建筑结构中厚板箱形柱角接接头､厚板梁柱节点T形接头等焊接接头的层状撕裂敏感性进行试验评定[41]｡美国北岭地震中,梁柱节点中柱翼缘的层状撕裂成为节点破坏的一种形式,震后FEMA资助下的SAC研究项目,对热轧H形柱翼缘厚度方向的性能进行了一定的研究[5,42]｡国内对于层状撕裂的研究主要针对具体的厚板焊接工程进行｡国内外关于厚板层状撕裂的相关研究主要为Z向钢材的研发及钢材Z向性能的评定,焊接接头层状撕裂的敏感性评定方法,焊接接头拘束度及应力状态的分析与焊接工艺改善等方面｡
4.1 Z向钢材研发及Z向性能评定
Z向钢材的研制方面,主要是细化钢材晶粒,降低S､P等非金属夹杂物含量,改变夹杂物的形态,防止连铸钢中心偏析等[19,43,44]｡S､P等非金属夹杂物直接影响了钢板厚度方向的性能,文献[5,19,30]对厚度方向断面收缩率与含硫量的研究都表明降低硫含量有利于提高钢材的Z向性能;文献[19]指出真空脱氧处理可降低氧化物夹杂,添加钙可防止硫化物夹杂呈片状或密集分布;文献[44]指出硫､磷含量的增加会导致中心偏析的增加｡钢材Z向性能的评定主要基于厚度方向的拉伸试验和厚度方向的冲击韧性试验等[41,45-46],评定指标有Z向断面收缩率与Z向冲击韧性值等｡
4.2层状撕裂的敏感性评定方法
层状撕裂的敏感性试验评定,主要采用Z向窗口拘束裂纹试验､Cranfield裂纹试验等直接方法,和Z向拉伸试验､Z向冲击韧性试验､L向缺口拉伸试验､含硫量测定､UT检测等间接方法[19,41,45,47-48]｡文献[41,45]对层状撕裂的敏感性评定方法进行了评价,指出Z向窗口拘束裂纹试验能够模拟真实的焊接接头条件,可作为层状撕裂敏感性评定的标准方法,但试验较复杂;基于Z向拉伸试验的断面收缩率评定方法简便易行,能够进行全面､定量评定｡
4.3拘束度及应力状态对层状撕裂的影响接头拘束度及应力状态
对层状撕裂的影响分析主要结合结构接头形式和坡口设计细节进行[45,49-50]｡文献[49-50]分别采用MultiRunRRC(RigidRestraintCracking)方法､ModifiedCranfield方法和H型拘束裂纹试验,研究了拘束度对层状撕裂敏感性的影响,指出拘束度越大层状撕裂敏感性越大;RRC法､ModifIedCrAnfield法和H型拘束裂纹试验结果具有良好的相关性｡文献[51]采用角接接头裂纹试验(CJC-Test),以大尺寸结构模型研究了弯曲拘束度对角接接头层状撕裂的影响,指出通过角接接头裂纹试验可得到产生层状撕裂的弯曲拘束度临界值,并能对实际结构角接接头的层状撕裂进行预测｡
4.4焊接工艺对层状撕裂的影响
焊接工艺方面主要研究焊接方法､施焊位置､焊接材料､热输入量､预热温度､后热处理等工艺对层状撕裂敏感性的影响｡文献[41,45]采用Z向窗口拘束裂纹试验研究了以上各种工艺参数对层状撕裂的影响｡文献[52]研究了采用大热输入量埋弧焊的角接接头的热影响区,防止焊接裂纹的措施｡国内结合具体的钢结构厚板焊接工程,进行了Z向窗口拘束裂纹试验等层状撕裂敏感性评定试验[6]｡国家体育场“鸟巢”､央视新台址大楼等一系列厚板焊接工程中制定的焊接工艺措施为防止厚板的层状撕裂提供了丰富的工程经验｡目前,尚没有文献报道采用断裂力学指标(K､CTOD､J积分等),对钢材Z向性能及厚板层状撕裂的敏感性进行评定的｡断裂力学指标的引入有待于层状撕裂问题断裂力学模型的建立,以及厚钢板作为横观各向同性材料本构关系的确定｡文献[53,54]对横观各向同性材料含片状裂纹的问题,进行了断裂力学分析和边界元法数值计算｡
5 结语
层状撕裂是钢结构厚板焊接工程中的一个突出问题,涉及钢材材质､结构体系与节点设计､焊接工艺等方面｡为此,我们必须注意以下问题:
(1)钢材中MnS等非金属夹杂物是层状撕裂的启裂源,夹杂物的数量､形状尺寸及分布特点决定了层状撕裂的敏感性｡合理地选择纯净度较高的Z向钢材,是防止钢结构厚板层状撕裂的重要措施｡
(2)结构节点焊接接头处强大的拉应力场,是导致厚板层状撕裂的关键因素｡正确地进行焊接接头形式､坡口设计,从而降低板厚方向的拘束拉应力和荷载拉应力,是防止层状撕裂的结构设计措施｡
(3)焊接工艺参数､细节繁多,对层状撕裂的影响复杂,主要原则是尽量降低厚度方向的拘束应力和焊接残余应力,降低氢脆作用及应变时效脆化｡
(4)基于断裂力学理论对钢材Z向性能及厚板层状撕裂的敏感性进行评定,为厚板层状撕裂问题的进一步研究提供了新的思路｡
(5)在钢结构设计规范的修订工作中,建议对厚板的层状撕裂问题进行相关研究,以建立层状撕裂的敏感性评定标准,从而指导厚板钢材的选材､厚板焊接接头的设计及焊接工艺措施的选择｡
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