金属拱型波纹屋顶残余应力分析试验

金属拱型波纹屋顶是一种新型的大跨度拱型薄壳结构件，成型过程主要有三个步骤；将建筑彩色涂层钢板模压成T型或U型截面的直板；把直板再滚压成单个带有横向波纹状的圆拱；通过锁边机将单个圆拱侧边咬合成一个整体。由于金属拱型波纹屋顶成型过程中发生不均匀塑性变形，产生了大量的残余应力。这些残余应力不仅影响结构的力学性能和抗腐蚀性能，而且还对结构的承载力构成威胁。因此对波纹拱进行残余应力分析试验还是有必要的。

本文以W型号金属拱型波纹屋顶为例，采用钻孔法对其进行残余应力分析。

盲孔法测残余应力技术

金属拱型波纹屋顶是由多个波纹单拱沿其侧边通过锁边咬合而成的。每个波纹单拱包括上翼缘、腹板和底板三部分（T型截面）或腹板和底板两部分（U型截面）。但无论波纹单拱采用哪种截面形式，其腹板和底板均会被齿轮滚压成横向波纹状，以使T型或U型截面直板形成圆拱。W型波纹拱属于T型截面，其波纹形状复杂，再加上滚压质量、咬合及吊装等因素的影响，实际波纹拱中残余应力的大小及分布是相当随机和复杂的。本项测试结果仅反映了W型波纹屋顶较为明显和普遍的规律。

对于不同拱高和跨度的W型金属拱型波纹屋顶，其腹板和底板上所形成的波纹（包括波距、波宽、波高）是不同的，但差别不大。因此，选取厚度1.0mm，跨度18m，拱高4.5m的普通W型拱型波纹单拱，随机截取长约1m的断面作为测试对象。测点共有31个。测点布置采用了对称原理，尽量少而精。因为钻孔法要求钻头方向与波面垂直，且各波面的方向是斜向的，给钻架的选位带来了相当大的麻烦，并减缓了测试进度，一般一天只能完成3-4个测点。

本次测试残余应力采用的是聚航科技生产的JHMK残余应力检测系统，由JHYC静态应变仪和JHZK钻孔装置组合而成，应变花是45°直角应变花。两者的相关参数为：2α=1.5mm，γ₁=2mm，γ₂=4mm。

钻孔法测试技术由三部分组成：贴片、钻孔和测试计算。

因为测试所采用的应变花尺寸较小（1mm*2mm），且钻孔边与应变片珊丝端部较近，因而应变片基底端部传递应变的条件很差，钻孔后释放的应变数据较为分散，相对误差较大。因此，钻孔法对贴片质量要求比普通的应变测量更高。

钻孔是盲孔法测残余应力中最重要的一个环节。钻头要求必须垂直于所钻金属表面，并在钻孔装置精确定位后，先用直径为1.65mm的铣刀轻轻倒转，划去钻孔位置所在的应变花基底，这样做可避免钻孔时钻头扯动应变花基底，从而保证测试精度。另外，为减少附加应变ε_m，钻孔应分两次进行，即先用Φ1.0mm的短柄麻花钻钻孔，输入电压控制为170v，然后用Φ1.5mm的短柄麻花钻扩孔，并使手电钻输入电压降为70v，以降低电钻转速。

残余应力测试结果

假设W型波纹拱所选钢材各向同性，且取：E=2.06*10⁵N/mm²，μ=0.3，α=0.75mm，γ₁=2mm，γ₂=4mm。由于本测试钻取通孔，因此可根据前面的理论公式计算得到释放系数：A=-2.2186*10^-7mm²/N，B=-6.2805*10^-7mm²/N。

以沿波纹拱横向布置的应变片为1号应变片，σ₁表示最大主应力，方向角θ为σ₁与1号应变片参考轴之间的夹角，顺时针为正。各测点残余应力主应力σ₁、σ₂和方向角θ可在所测释放应变ε₁`、ε<sub>2</sub>`、ε₃`并考虑附加应变ε_m影响的基础上根据前面所给公式直接得出。

通过对比分析所计算得出的残余应力结果，可知以下几个结论：

1. 尽管试样选取自跨度18m、高跨比为0.25的单个W型波纹拱，但由于不同跨度和高度的W型波纹拱所形成的波纹之间形状类似，尺寸差别不大，因此测试结果所反映的主要规律仍具有普遍意义。

2. 31个测点中有三组是重复的，即：7、8、9点；10、11、12点；13、14、15点，其计算结果非常接近。一方面说明波纹拱中相同位置点的残余应力分布是相同的，同时也证明试验结果的可靠性。

3. 众所周知，残余应力的极限是材料的屈服强度，而有些测点（如5、6、18、26、30等）的残余应力计算结果却超过了这个极限，与实际情况不同。主要原因是这些点的真实残余应力较大（≥0.5f_y），钻孔后孔边缘由于应力集中而局部屈服产生了塑性变形，导致测量的释放应变偏大，残余应力计算结果偏高。

4. 波纹拱棱角线上的残余应力主应力，不比预期的那样比周围波面上的要大，而是有些大（如3、6、17、18、26、27、30等点），另外一些则明显较小（如8、11、14等点）。

5. 在横向波纹棱角线中央，残余应力的最大主应力为拉应力，方向与棱角线垂直，如8、11、14、16、17、18等测点。

6. 波纹拱棱角线上的一些测点，如果其周围形状复杂，如3、6、25、26、27等点，则其残余应力主应力普遍较大，但其分布并无规律。

结论

本文以W型金属拱型波纹屋顶为研究对象，采用盲孔法对其进行残余应力分析试验，对测试结果进行分析，得到了一些初步结论，给波纹拱残余应力及影响的进一步研究提供了方便。