大跨越输电塔主材加劲钢管残余应力分布特点研究学习体会

文献概况与工程背景

刘海锋等人在《建筑结构》2020年第50卷第23期发表的这篇论文，系统研究了大跨越输电塔主材加劲钢管的残余应力分布特点。该研究由中国电力科学研究院团队完成，依托国家自然科学基金支持，为大跨越输电塔主材的选材与结构设计提供了重要的试验依据。

大跨越输电塔是输电线路工程中的重要结构形式，其主材通常采用大口径钢管。加劲钢管是在传统钢管内壁上焊接纵向或横向加劲肋而生成的一种新型构件，旨在提高钢管的局部稳定性和承载能力。残余应力是钢管制造和焊接过程中不可避免产生的应力，对钢管的力学性能、疲劳性能和腐蚀性能具有重要影响。

加劲钢管的结构形式与制造工艺

加劲钢管是将纵向或横向加劲肋焊接在传统钢管内壁上而生成的一种新型构件。从钢管制造与焊接技术的角度，加劲钢管的制造工艺涉及以下关键技术环节：

盲孔法残余应力测试原理

研究采用盲孔法测试了加劲钢管的残余应力。盲孔法是一种常用的残余应力测量方法，其基本原理是通过在测试点钻取小孔，释放该点的残余应力，然后通过应变片测量应变释放量，进而计算出残余应力值。

从残余应力测试技术的角度，盲孔法的测试精度受到以下因素的影响：

• 钻孔精度：钻孔的直径和深度偏差会影响应变释放量的测量精度
• 应变片粘贴质量：应变片的粘贴位置、粘贴角度和粘贴质量直接影响测量结果
• 应力释放系数：应力释放系数的准确性取决于材料的弹塑性本构关系和几何条件
• 测试环境：温度变化、振动等环境因素可能影响测量结果

残余应力分布特点分析

研究设计了3种不同加劲肋布置方式的加劲钢管和1种无加劲肋钢管的试件，每种试件各3个，共12个试件。通过盲孔法测试，揭示了加劲钢管残余应力场的分布特点。

第一，加劲钢管的残余应力场可视为钢管对接焊缝和加劲肋焊缝残余应力场的叠加。 这一结论表明，加劲钢管的残余应力场是钢管制造过程中产生的残余应力和加劲肋焊接过程中产生的残余应力的叠加结果。在实际工程中，这一结论有助于预测加劲钢管的残余应力分布，为结构设计提供依据。

第二，加劲钢管的残余拉应力峰值和位置与无加劲肋钢管基本相同。 这一结论表明，加劲肋焊接对钢管对接焊缝区域的残余拉应力影响不大。这可能是因为加劲肋焊缝与钢管对接焊缝之间的距离较大，两者的残余应力场相互影响较小。

第三，加劲钢管的残余压应力峰值大于无加劲肋钢管，且其残余压应力峰值位置会有较大变化。 这一结论表明，加劲肋焊接显著改变了钢管的残余压应力分布。加劲肋焊缝周围会产生较大的残余压应力，且压应力峰值位置与无加劲肋钢管不同。这一现象与加劲肋焊缝的焊接热输入和冷却收缩有关。

第四，加劲钢管的加劲肋处存在明显的残余拉应力，但该残余拉应力明显低于钢管对接焊缝处的残余拉应力。 这一结论表明，加劲肋焊缝区域的残余拉应力水平低于钢管对接焊缝区域。这可能是因为加劲肋焊缝的焊接热输入较小，且加劲肋的几何尺寸较小，焊接变形和残余应力相对较小。

残余应力对加劲钢管性能的影响

残余应力对加劲钢管的性能具有重要影响，主要体现在以下方面：

对局部稳定性的影响：残余拉应力会降低钢管的局部稳定承载力。在加劲钢管中，残余拉应力与外加应力叠加，可能提前导致钢管壁的局部屈曲。因此，在加劲钢管的设计中，应充分考虑残余应力的影响。

对疲劳性能的影响：残余拉应力会显著降低钢管的疲劳寿命。在加劲钢管的加劲肋焊缝区域，残余拉应力与疲劳荷载叠加，可能导致疲劳裂纹的萌生和扩展。因此，加劲肋焊缝的质量控制尤为重要。

对腐蚀性能的影响：残余拉应力区域容易产生应力腐蚀开裂。在加劲钢管中，残余拉应力与腐蚀介质共同作用，可能加速腐蚀损伤。因此，加劲钢管的防腐设计应考虑残余应力的影响。

与钢管制造与焊接技术的关联

作为从事钢管制造与焊接技术的人员，我对这一研究有以下思考：

第一，加劲钢管的残余应力控制是保证构件性能的关键。在加劲肋焊接过程中，应采取合理的焊接工艺参数和焊接顺序，以降低残余应力水平。例如，可以采用对称焊接、分段退焊等工艺措施，减少焊接变形和残余应力。

第二，加劲钢管的焊后热处理是降低残余应力的有效手段。对于重要工程中的加劲钢管，建议采用焊后热处理或振动时效等方法，降低残余应力水平，改善构件的力学性能和疲劳性能。

第三，加劲钢管的无损检测应覆盖加劲肋焊缝区域。加劲肋焊缝是加劲钢管的薄弱环节，其焊接质量直接影响构件的性能。建议采用RT、UT、MT或PT等无损检测方法，对加劲肋焊缝进行全面检测。

第四，加劲钢管的残余应力测试应在制造完成后进行。对于重要工程中的加劲钢管，建议在制造完成后进行残余应力测试，以验证残余应力水平是否符合设计要求。

工程实践建议

基于该研究结论，对加劲钢管工程实践提出以下建议：

• 在加劲肋焊接过程中，采用合理的焊接工艺参数和焊接顺序，降低残余应力水平
• 对于重要工程中的加劲钢管，建议采用焊后热处理或振动时效等方法，降低残余应力
• 加强加劲肋焊缝的无损检测，确保焊缝质量符合规范要求
• 在加劲钢管的设计中，充分考虑残余应力的影响，适当降低许用应力
• 对于承受疲劳荷载的加劲钢管，建议进行残余应力测试和疲劳性能评估

学习心得与展望

该研究的最大贡献在于系统揭示了加劲钢管残余应力场的分布特点，为大跨越输电塔主材的设计与制造提供了重要的试验依据。研究结果表明，加劲钢管的残余应力场是钢管对接焊缝和加劲肋焊缝残余应力场的叠加，且加劲肋焊接显著改变了钢管的残余压应力分布。

未来研究可以进一步探讨加劲钢管在复杂应力状态下的残余应力分布、不同焊接工艺对残余应力分布的影响、以及残余应力对加劲钢管疲劳性能和腐蚀性能的影响。同时，随着钢管制造与焊接技术的进步，新型加劲钢管的研发和残余应力控制技术的优化也具有重要的工程价值。这些研究方向将有助于进一步完善加劲钢管设计理论，为大跨越输电塔工程提供更加可靠的技术保障。