《钢规》GB 50017中如何科学考虑残余应力？

在钢结构设计中，残余应力是一个不可忽视的“隐形力量”。它产生于钢材的制造和加工过程（如焊接、轧制），即使在没有外部荷载时，也会在材料内部形成自平衡的应力。这些应力可能引发结构的早期屈曲或影响承载能力。中国《钢结构设计标准》GB 50017-2017对残余应力的考虑提出了明确要求，本文带您一探究竟。
一、残余应力的来源与影响
来源
焊接：焊缝冷却收缩导致母材与焊缝区产生拉压应力。
轧制与切割：不均匀冷却或机械加工引发局部应力集中。
冷弯成型：截面变形导致残余应力分布改变。
影响
降低构件的稳定承载力，尤其是受压构件。
加速疲劳裂纹的萌生与扩展。
引发局部屈曲或整体失稳。
二、GB 50017中如何考虑残余应力？
1. 直接分析法中的强制要求
根据标准第5.5节“直接分析设计法”，设计时同时考虑以下因素：
初始几何缺陷（如构件初始弯曲）；
材料非线性（塑性发展）；
残余应力；
节点连接刚度。
该方法通过二阶弹塑性分析，直接模拟残余应力对结构整体稳定性的影响，无需单独计算构件的等效缺陷。
2. 稳定性设计的隐含考虑
轴心受压构件（第7章）：通过截面分类（a、b、c、d类）间接反映残余应力的影响。
例如，焊接截面的残余应力较高，其稳定系数φ较低（如c类截面）。




压弯构件（第8章）：在计算整体稳定时，引入等效弯矩系数β，隐含考虑残余应力导致的附加弯矩效应。
3. 材料与构造措施
钢材选择（第4.3节）：对焊接结构要求碳当量合格，减少焊接残余应力。
截面宽厚比限制（第3.5节）：通过控制板件宽厚比等级（S1~S5级），降低残余应力与局部屈曲的耦合效应。
三、实际设计中的应对策略
焊接工艺优化
采用对称焊接、预热和后热处理，减少焊接残余应力。
对厚板焊接结构，优先使用Z向钢（抗层状撕裂钢）。
截面设计原则
避免使用宽厚比超限的薄壁截面（如S5级截面需按有效截面计算）。
对受压构件，优先选用轧制H型钢（残余应力低于焊接截面）。
计算软件的应用
使用有限元软件进行直接分析时，需在模型中输入残余应力分布模式（如焊接截面的“双线性分布”）。


结合标准附录D的稳定系数表，验证手工计算结果。
四、结语
残余应力是钢结构设计中不可见的“暗流”，GB 50017通过分析方法、截面控制和材料要求，系统性地规避其潜在风险。设计师需在工艺、选型与计算中多维度协同，方能打造安全经济的钢结构体系。