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南京聚航科技有限公司
主營產品： 振動時效設備，殘余應力檢測儀，應力應變測量，殘余應力消除設備 |
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2022-4-6 閱讀(351)
金屬拱型波紋屋頂是一種新型的大跨度拱型薄殼結構件，成型過程主要有三個步驟；將建筑彩色涂層鋼板模壓成T型或U型截面的直板；把直板再滾壓成單個帶有橫向波紋狀的圓拱；通過鎖邊機將單個圓拱側邊咬合成一個整體。由于金屬拱型波紋屋頂成型過程中發生不均勻塑性變形，產生了大量的殘余應力。這些殘余應力不僅影響結構的力學性能和抗腐蝕性能，而且還對結構的承載力構成威脅。因此對波紋拱進行殘余應力分析試驗還是有必要的。
本文以W型號金屬拱型波紋屋頂為例，采用鉆孔法對其進行殘余應力分析。
盲孔法測殘余應力技術
金屬拱型波紋屋頂是由多個波紋單拱沿其側邊通過鎖邊咬合而成的。每個波紋單拱包括上翼緣、腹板和底板三部分（T型截面）或腹板和底板兩部分（U型截面）。但無論波紋單拱采用哪種截面形式，其腹板和底板均會被齒輪滾壓成橫向波紋狀，以使T型或U型截面直板形成圓拱。W型波紋拱屬于T型截面，其波紋形狀復雜，再加上滾壓質量、咬合及吊裝等因素的影響，實際波紋拱中殘余應力的大小及分布是相當隨機和復雜的。本項測試結果僅反映了W型波紋屋頂較為明顯和普遍的規律。
對于不同拱高和跨度的W型金屬拱型波紋屋頂，其腹板和底板上所形成的波紋（包括波距、波寬、波高）是不同的，但差別不大。因此，選取厚度1.0mm，跨度18m，拱高4.5m的普通W型拱型波紋單拱，隨機截取長約1m的斷面作為測試對象。測點共有31個。測點布置采用了對稱原理，盡量少而精。因為鉆孔法要求鉆頭方向與波面垂直，且各波面的方向是斜向的，給鉆架的選位帶來了相當大的麻煩，并減緩了測試進度，一般一天只能完成3-4個測點。
本次測試殘余應力采用的是聚航科技生產的JHMK殘余應力檢測系統，由JHYC靜態應變儀和JHZK鉆孔裝置組合而成，應變花是45°直角應變花。兩者的相關參數為：2α=1.5mm，γ1=2mm，γ2=4mm。
鉆孔法測試技術由三部分組成：貼片、鉆孔和測試計算。
因為測試所采用的應變花尺寸較小（1mm*2mm），且鉆孔邊與應變片珊絲端部較近，因而應變片基底端部傳遞應變的條件很差，鉆孔后釋放的應變數據較為分散，相對誤差較大。因此，鉆孔法對貼片質量要求比普通的應變測量更高。
鉆孔是盲孔法測殘余應力中最重要的一個環節。鉆頭要求必須垂直于所鉆金屬表面，并在鉆孔裝置精確定位后，先用直徑為1.65mm的銑刀輕輕倒轉，劃去鉆孔位置所在的應變花基底，這樣做可避免鉆孔時鉆頭扯動應變花基底，從而保證測試精度。另外，為減少附加應變εm，鉆孔應分兩次進行，即先用Φ1.0mm的短柄麻花鉆鉆孔，輸入電壓控制為170v，然后用Φ1.5mm的短柄麻花鉆擴孔，并使手電鉆輸入電壓降為70v，以降低電鉆轉速。
殘余應力測試結果
假設W型波紋拱所選鋼材各向同性，且取：E=2.06*105N/mm2，μ=0.3，α=0.75mm，γ1=2mm，γ2=4mm。由于本測試鉆取通孔，因此可根據前面的理論公式計算得到釋放系數：A=-2.2186*10-7mm2/N，B=-6.2805*10-7mm2/N。
以沿波紋拱橫向布置的應變片為1號應變片，σ1表示*大主應力，方向角θ為σ1與1號應變片參考軸之間的夾角，順時針為正。各測點殘余應力主應力σ1、σ2和方向角θ可在所測釋放應變ε1`、ε2`、ε3`并考慮附加應變εm影響的基礎上根據前面所給公式直接得出。
通過對比分析所計算得出的殘余應力結果，可知以下幾個結論：
1. 盡管試樣選取自跨度18m、高跨比為0.25的單個W型波紋拱，但由于不同跨度和高度的W型波紋拱所形成的波紋之間形狀類似，尺寸差別不大，因此測試結果所反映的主要規律仍具有普遍意義。
2. 31個測點中有三組是重復的，即：7、8、9點；10、11、12點；13、14、15點，其計算結果非常接近。一方面說明波紋拱中相同位置點的殘余應力分布是相同的，同時也證明試驗結果的可靠性。
3. 殘余應力的極限是材料的屈服強度，而有些測點（如5、6、18、26、30等）的殘余應力計算結果卻超過了這個極限，與實際情況不同。主要原因是這些點的真實殘余應力較大（≥0.5fy），鉆孔后孔邊緣由于應力集中而局部屈服產生了塑性變形，導致測量的釋放應變偏大，殘余應力計算結果偏高。
4. 波紋拱棱角線上的殘余應力主應力，不比預期的那樣比周圍波面上的要大，而是有些大（如3、6、17、18、26、27、30等點），另外一些則明顯較小（如8、11、14等點）。
5. 在橫向波紋棱角線*央，殘余應力的*大主應力為拉應力，方向與棱角線垂直，如8、11、14、16、17、18等測點。
6. 波紋拱棱角線上的一些測點，如果其周圍形狀復雜，如3、6、25、26、27等點，則其殘余應力主應力普遍較大，但其分布并無規律。
結論
本文以W型金屬拱型波紋屋頂為研究對象，采用盲孔法對其進行殘余應力分析試驗，對測試結果進行分析，得到了一些初步結論，給波紋拱殘余應力及影響的進一步研究提供了方便。
