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金屬拱型波紋屋頂是一種新型的大跨度拱型薄殼結(jié)構(gòu)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(jī)將單個圓拱側(cè)邊咬合成一個整體。由于金屬拱型波紋屋頂成型過程中發(fā)生不均勻塑性變形，產(chǎn)生了大量的殘余應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力不僅影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和抗腐蝕性能，而且還對結(jié)構(gòu)的承載力構(gòu)成威脅。因此對波紋拱進(jìn)行殘余應(yīng)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(jìn)行殘余應(yīng)力分析。

盲孔法測殘余應(yīng)力技術(shù)

金屬拱型波紋屋頂是由多個波紋單拱沿其側(cè)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(fù)雜，再加上滾壓質(zhì)量、咬合及吊裝等因素的影響，實際波紋拱中殘余應(yīng)力的大小及分布是相當(dāng)隨機(jī)和復(fù)雜的。本項測試結(jié)果僅反映了W型波紋屋頂較為明顯和普遍的規(guī)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(jī)截取長約1m的斷面作為測試對象。測點(diǎn)共有31個。測點(diǎn)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(dāng)大的麻煩，并減緩了測試進(jìn)度，一般一天只能完成3-4個測點(diǎn)。

本次測試殘余應(yīng)力采用的是聚航科技生產(chǎn)的JHMK殘余應(yīng)力檢測系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK鉆孔裝置組合而成，應(yīng)變花是45°直角應(yīng)變花。兩者的相關(guān)參數(shù)為：2α=1.5mm，γ₁=2mm，γ₂=4mm。

鉆孔法測試技術(shù)由三部分組成：貼片、鉆孔和測試計算。

因為測試所采用的應(yīng)變花尺寸較小（1mm*2mm），且鉆孔邊與應(yīng)變片珊絲端部較近，因而應(yīng)變片基底端部傳遞應(yīng)變的條件很差，鉆孔后釋放的應(yīng)變數(shù)據(jù)較為分散，相對誤差較大。因此，鉆孔法對貼片質(zhì)量要求比普通的應(yīng)變測量更高。

鉆孔是盲孔法測殘余應(yīng)力中最重要的一個環(huán)節(jié)。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(zhuǎn)，劃去鉆孔位置所在的應(yīng)變花基底，這樣做可避免鉆孔時鉆頭扯動應(yīng)變花基底，從而保證測試精度。另外，為減少附加應(yīng)變ε_m，鉆孔應(yīng)分兩次進(jìn)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(kuò)孔，并使手電鉆輸入電壓降為70v，以降低電鉆轉(zhuǎn)速。

殘余應(yīng)力測試結(jié)果

假設(shè)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(jù)前面的理論公式計算得到釋放系數(shù)：A=-2.2186*10^-7mm²/N，B=-6.2805*10^-7mm²/N。

以沿波紋拱橫向布置的應(yīng)變片為1號應(yīng)變片，σ₁表示*大主應(yīng)力，方向角θ為σ₁與1號應(yīng)變片參考軸之間的夾角，順時針為正。各測點(diǎn)殘余應(yīng)力主應(yīng)力σ₁、σ₂和方向角θ可在所測釋放應(yīng)變ε₁`、ε<sub>2</sub>`、ε₃`并考慮附加應(yīng)變ε_m影響的基礎(chǔ)上根據(jù)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(yīng)力結(jié)果，可知以下幾個結(jié)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(jié)果所反映的主要規(guī)律仍具有普遍意義。

2. 31個測點(diǎn)中有三組是重復(fù)的，即：7、8、9點(diǎn)；10、11、12點(diǎn)；13、14、15點(diǎn)，其計算結(jié)果非常接近。一方面說明波紋拱中相同位置點(diǎn)的殘余應(yīng)力分布是相同的，同時也證明試驗結(jié)果的可靠性。

3. 殘余應(yīng)力的極限是材料的屈服強(qiáng)度，而有些測點(diǎn)（如5、6、18、26、30等）的殘余應(yīng)力計算結(jié)果卻超過了這個極限，與實際情況不同。主要原因是這些點(diǎn)的真實殘余應(yīng)力較大（≥0.5f_y），鉆孔后孔邊緣由于應(yīng)力集中而局部屈服產(chǎn)生了塑性變形，導(dǎo)致測量的釋放應(yīng)變偏大，殘余應(yīng)力計算結(jié)果偏高。

4. 波紋拱棱角線上的殘余應(yīng)力主應(yīng)力，不比預(yù)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(diǎn)），另外一些則明顯較小（如8、11、14等點(diǎn)）。

5. 在橫向波紋棱角線*央，殘余應(yīng)力的*大主應(yīng)力為拉應(yīng)力，方向與棱角線垂直，如8、11、14、16、17、18等測點(diǎn)。

6. 波紋拱棱角線上的一些測點(diǎn)，如果其周圍形狀復(fù)雜，如3、6、25、26、27等點(diǎn)，則其殘余應(yīng)力主應(yīng)力普遍較大，但其分布并無規(guī)律。

結(jié)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(jìn)行殘余應(yīng)力分析試驗，對測試結(jié)果進(jìn)行分析，得到了一些初步結(jié)論，給波紋拱殘余應(yīng)力及影響的進(jìn)一步研究提供了方便。