Остаточные напряжения — это внутренние-самоуравновешивающиеся напряжения, существующие внутри материала даже при отсутствии внешних нагрузок. В горячекатаных-балках A572 H-эти напряжения возникают из-за не-неравномерного охлаждения и фазовых превращений в процессе производства. Их распределение и величина оказывают немаловажное влияние на стабильность и усталостную долговечность элемента, что необходимо учитывать при усовершенствованном проектировании.
1. Происхождение и типичная картина остаточных напряжений:
Когда горячая двутавровая балка выходит из чистового стана и охлаждается на-выходном станине, кончики фланцев и центр стенки сначала охлаждаются и затвердевают. Эти более холодные области сжимаются, но их удерживает все еще -горячий пластиковый материал на фланцевых-стыках стенок.
Это дифференциальное сокращение фиксируется в характерной схеме:
Остаточное напряжение сжатия на концах фланцев и в середине-стенки.
Остаточное растягивающее напряжение в местах соединения полок-стенки ("область k-").
Типичные величины могут достигать 10-30% предела текучести материала (Fy). Для A572 Gr.50 это соответствует примерно 5–15 тысячам фунтов на квадратный дюйм (35–100 МПа).
2. Влияние на устойчивость к короблению (колонны и балки):
Потеря устойчивости колонны: наличие сжимающих остаточных напряжений на концах фланцев эффективно уменьшает диапазон упругости элемента. При приложении осевой нагрузки эти области поддаются меньшей деформации.применяемыйстресс, потому что они уже предварительно-сжаты. Это снижает эффективный модуль упругости и может снизить критическую нагрузку, вызывающую продольный изгиб, особенно для элементов промежуточного диапазона гибкости (где преобладает неупругий изгиб). Кривые проектирования современных колонн (например, кривая колонны AISC) эмпирически учитывают средний эффект этих остаточных напряжений, а также первоначальные геометрические несовершенства. Характер и величина остаточного напряжения являются одной из причин, почему существуют разные столбчатые кривые для разных типов поперечного сечения (например, W-формы по сравнению с полыми структурными сечениями).
Боковое-выпучивание балок при кручении (LTB): остаточные напряжения взаимодействуют с приложенными напряжениями изгиба. В балке, подвергающейся изгибу по главной-оси, сжимающее остаточное напряжение на кончике полки добавляется к приложенному сжимающему напряжению от изгиба. Это может спровоцировать более раннюю локальную текучесть на концах фланцев, снижая способность балки достигать своего полного пластического момента (Mp) и потенциально влияя на ее неупругую прочность LTB. Уравнения расчета балки спецификации AISC учитывают этот эффект посредством параметров предельной гибкости (λp, λr) и коэффициента градиента момента (Cb).
3. Влияние на поведение при усталости:
Усталость – это прогрессивное и локализованное структурное повреждение, которое возникает, когда материал подвергается циклической нагрузке. Остаточные напряжения являются критическим фактором.
Полезный эффект: остаточные напряжения сжатия в местах потенциального зарождения трещин (например, на поверхностях фланцев) очень полезны. Они эффективно повышают среднее напряжение усталостного цикла в сторону сжатия, затрудняя раскрытие и распространение микротрещин. Это может значительно увеличить усталостную долговечность.
Негативный эффект. И наоборот, остаточные напряжения растяжения в месте соединения полки-стенки (область высокого-напряжения) снижают усталостную прочность. Они усиливают приложенные растягивающие напряжения, способствуя зарождению трещин. Это особенно важно для деталей, отнесенных к категориям согласно Приложению 3 AISC 360 или Спецификациям проектирования мостов AASHTO, где соединение полки-стенки часто относится к деталям категории B или C.
Смягчение последствий. Для конструкций, подверженных высокой-цикловой усталости (например, балки подкрановых путей, элементы мостов), можно использовать обработку после-производства, такую как дробеструйная обработка, чтобы вызвать в поверхностном слое остаточное сжимающее напряжение, перекрывая-растягивающие напряжения после прокатки и улучшая усталостные характеристики.
4. Последствия для изготовления и проектирования:
Резка и сварка. Термическая резка (пламенная или плазменная) и сварка создают новые, зачастую серьезные, локализованные поля остаточных напряжений, которые могут быть на порядок выше, чем напряжения после прокатки. Это необходимо учитывать при проектировании деталей соединения, особенно для участников,-склонных к утомлению.
Философия проектирования. При проектировании зданий в условиях статических нагрузок влияние-остаточных напряжений при прокатке неявно учитывается эмпирически выведенными формулами в спецификации AISC. Проектировщик не рассчитывает их напрямую.
Расширенный анализ. Для специализированных приложений (например, оценка сейсмических характеристик с использованием расширенного анализа методом конечных элементов или проектирование чрезвычайно тонких аэрокосмических конструкций) может потребоваться явное моделирование структуры остаточных напряжений для точного прогнозирования поведения неупругого выпучивания и гистерезиса.
Таблица: Влияние остаточных напряжений в двутавровых балках A572 и управление ими
| Аспект | Влияние-остаточных напряжений после прокатки | Рассмотрение дизайна/производства |
|---|---|---|
| Сила колонны | Снижает критическую нагрузку, вызывающую продольный изгиб, обеспечивая промежуточную гибкость. | Учитывается в столбчатых кривых AISC (например, кривая для W-форм). |
| Боковая потеря устойчивости балки | Способствует более ранней текучести на концах фланцев, влияя на прочность LTB. | Включено в уравнения LTB AISC (расчет Fcr). |
| Усталость жизни | Растягивающие напряжения в месте соединения стенок-фланцев вредны. Сжимающие напряжения на поверхностях полезны. | Критически важно для расчета усталости согласно Приложению 3 AISC или AASHTO. Можно использовать пост-обработку (пининг). |
| Изготовление (Сварка) | Преобладают новые сварочные напряжения; может вызвать искажения. | Используйте последовательность сварки, чтобы минимизировать искажения; Для толстых сечений может быть указано снятие напряжений. |
Подводя итог, можно сказать, что структура остаточных напряжений в горячекатаных двутавровых балках -A572- является неотъемлемым побочным продуктом производственного процесса. Хотя это не является основной проблемой для большинства статических проектов зданий (поскольку правила усвоили их влияние), они становятся критически важным фактором для устойчивости тонких элементов, пластичного поведения при сейсмических нагрузках и усталостной долговечности конструкций, подвергающихся циклическим нагрузкам. Понимание их существования позволяет инженерам принимать обоснованные решения относительно выбора элементов, детализации соединений и возможных процедур после-производства.