同濟大學(xué)童樂為高等鋼結(jié)構(gòu)作業(yè)

1、高等鋼結(jié)構(gòu)作業(yè)系所： 專業(yè)： 學(xué)號： 姓名： 指導(dǎo)教師： 二 零 一 四 年 十 一 月 十 一 日1、 焊接結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)哪些類似裂紋的缺陷？答：焊接結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的類似裂紋的缺陷有：焊接裂紋、氣孔、錯邊和錯口、咬邊、未焊透、焊瘤。1） 焊接裂紋裂紋是焊接結(jié)構(gòu)中危害比較嚴(yán)重的缺陷。她減少焊縫斷面面積的同時引起應(yīng)力集中，使得裂紋擴大，造成接頭破壞。它可能 發(fā)生在焊縫金屬中，也可能發(fā)生在母材中，可能垂直于焊縫，也可能平行于焊縫。常見的有焊縫金屬內(nèi)部凝固裂紋和熱影響區(qū)中的氫裂紋，前者主要取決于凝固速率，后者主要為硬顯微組織和材料內(nèi)氫氣逸散情況決定，二者均可通過預(yù)熱加以控制。根據(jù)裂紋受力狀況不同，裂紋可

2、分為張開型、滑開型和撕開型。張開型是受垂直于裂紋面的拉應(yīng)力作用所致；滑開型是受平行于裂紋面、同時垂直于裂紋前緣的剪應(yīng)力所致；撕開型是受平行于裂紋面、同時平行于裂紋前緣的剪應(yīng)力所致。裂紋形態(tài)如圖1所示。 張開型 滑開型 撕開型圖1 根據(jù)裂紋發(fā)展方向，裂紋可以分為縱向裂紋和橫向裂紋。縱向裂紋在焊縫熔池的凹口內(nèi)是最常見。橫向裂紋一般常見于合金鋼焊接時，低碳鋼在冷卻過快或冷卻不均勻時也可能產(chǎn)生橫向裂紋。裂紋形態(tài)如圖2所示。2） 氣孔氣孔（如圖3）指的是焊縫金屬凝固時，金屬內(nèi)氣體由于被截留而引起的孔穴。通常呈球狀，尺寸差別很大，很可能散及整個焊縫，也可能局部成串出現(xiàn)。母材或電焊條中的高含硫量、焊條藥皮中

3、過量的水分和不穩(wěn)定的保護(hù)氣層都可能產(chǎn)生密集氣孔。氣孔降低焊縫的強度的同時可能使接頭處產(chǎn)生滲漏。在焊縫檢查時發(fā)現(xiàn)有均勻的、成群的鏈形成氣孔必須將這一段焊縫鏟去，重新補焊，對單個氣孔需根據(jù)所在位置的重要性決定是否處理。3） 錯邊和錯口錯邊（如圖4）指的是焊接后兩個焊件未在同一平面內(nèi)，一個高，一個低。若焊件是板材，則稱錯邊，若焊件是管材，則稱錯口。焊件檢驗中根據(jù)不同情況，對錯邊和錯口量有所要求。4） 咬邊咬邊（如圖5）是指焊趾、焊縫根部或焊道間的溝槽狀缺陷。主要是因為焊接時電流、電壓過高或焊縫空間位置不合適，造成融化金屬分布不均勻。咬邊減少了焊接接頭承載截面的有效面積，使截面應(yīng)力增大，使結(jié)構(gòu)的外形尺

4、寸發(fā)生突變，造成形狀不連續(xù)，在咬邊處引起較強的應(yīng)力集中和彎曲應(yīng)力，明顯降低焊接接頭的強度和韌性。咬邊在檢查時肉眼很難發(fā)現(xiàn)。圖3 氣孔 圖4 錯邊 圖5 咬邊5） 未焊透未焊透（如圖6）指的是在對接焊縫中，焊接金屬沒有達(dá)到接頭的根部，因此焊縫厚度小于其母材的厚度。主要包括焊道間未熔合、焊縫金屬與坡口面未熔合、熔深不足。主要依靠在焊接操作前。將焊件邊緣整備，并采用適當(dāng)?shù)暮附訔l件，保證接頭整備和裝備的準(zhǔn)確性。圖6 未焊透6） 焊瘤焊瘤（如圖7）是在焊接過程中熔化金屬流淌到焊縫之外未熔化的母材上面形成的金屬瘤。一般呈半球形或凝圖7 焊瘤固液滴狀，常伴隨產(chǎn)生未焊透或縮孔等缺陷。2、 防止焊接鋼結(jié)構(gòu)脆性斷

5、裂的基本措施答：造成結(jié)構(gòu)脆性斷裂的基本因素有：材料在工作條件下任性不足、缺陷的存在和過大的拉應(yīng)力。因此，防止鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂可基于選材、結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造三方面。1） 正確選用鋼材在選材時，應(yīng)綜合考慮材料物理性能之間的影響以及物理性能與經(jīng)濟性和結(jié)構(gòu)破壞所帶來后果的嚴(yán)重性，保證在結(jié)構(gòu)工作條件（如：最低環(huán)境溫度、荷載性能等）下，焊縫、熱影響區(qū)和熔合線部位具有足夠的抗開裂能力，母材應(yīng)具有一定的止裂性能。在焊接結(jié)構(gòu)的選材中，主要考慮材料的屈服點，材料的的焊接性和材料的缺口韌性。其中缺口韌性適用性可用V形缺口沖擊試驗的結(jié)果來檢驗。由于隨著鋼材強度提高，其斷裂韌性和可焊性都有不同程度下降，選材時不宜選用比實際

6、所需強度更高的材料，特別不應(yīng)單純追求強度指標(biāo)，而忽視了其它性能。2） 采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計a) 盡量減少結(jié)構(gòu)剛度。在保證結(jié)構(gòu)變形在要求范圍內(nèi)，盡量減小結(jié)構(gòu)剛度，以降低應(yīng)力集中和附加應(yīng)力的影響。b) 要重視結(jié)構(gòu)中附加件的連接形式和不受力焊縫的設(shè)計。結(jié)構(gòu)中一些不受重視的接頭部位若產(chǎn)生脆性裂紋，也會擴展到結(jié)構(gòu)主體，因此盡量不在主要受力構(gòu)件上加焊附加件。圖8 附加件的連接方案c) 降低板材厚度。增大厚度會提高鋼材的轉(zhuǎn)變溫度，降低其斷裂韌度值。在大型焊接結(jié)構(gòu)中，不宜采用過厚的板材。在滿足工作應(yīng)力的條件下，盡量減小板材厚度，可考慮采用多層板，這對降低鋼板的轉(zhuǎn)變溫度防止結(jié)構(gòu)脆性破壞很有好處。d) 盡量減少結(jié)構(gòu)

7、和接頭的應(yīng)力集中。在一些截面需要改變的地方（如兩個不同截面構(gòu)件的對接接頭）應(yīng)當(dāng)盡可能設(shè)計成平緩過渡，避免突變和尖角。在設(shè)計中盡量選用應(yīng)力集中系數(shù)小的對接接頭，力求避免選用系數(shù)較大的蓋板接頭，如果有可能，盡量將角焊縫改用對接焊縫，同時盡量采用全焊透焊縫。不同厚度構(gòu)件對接時應(yīng)當(dāng)盡可能采用圓滑過渡。此外，還要充分考慮到可焊性，避免焊縫過度密集，特別是立體相交，以防過大的殘余應(yīng)力和多向應(yīng)力并，盡量將焊縫布置在易于檢查處，遠(yuǎn)離幾何形狀發(fā)生變化的地方，且應(yīng)保證焊接質(zhì)量，避免和減少焊縫缺陷。 圖11 避免焊縫立體相交圖10 封頭板焊接接頭的處理圖9 搭接時焊接接頭的過渡e) 全面了解結(jié)構(gòu)的工作條件。對于露天

8、情況下工作的焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)詳細(xì)了解其工作環(huán)境下的最低溫度和氣溫變化情況，以供設(shè)計參考之用。同時還要對焊接結(jié)構(gòu)的工作在有無變動、如何變動、有無沖擊荷載等因素予以考慮。f) 采用合理的焊接工藝。在允許的情況下減小焊接線能量，減小焊接殘余應(yīng)力和參與變形，在某些情況下考慮焊接后熱處理，以消除焊接殘余應(yīng)力的影響。3、 解釋應(yīng)力幅是評價焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞強度的一個指標(biāo)答：疲勞試驗證明，當(dāng)應(yīng)力比P為定值時，使同一試件破壞所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)n與試件所受最大應(yīng)力的大小有關(guān)。如圖12的曲線所示，縱坐標(biāo)稱為疲勞強度，橫坐標(biāo)稱為致?lián)p循環(huán)次數(shù)或疲勞壽命。當(dāng)值很大時，曲線趨向水平，表示若低于或等于某一數(shù)值，致?lián)p循環(huán)次數(shù)可為無限

9、大，亦即此時試件不會因重復(fù)荷載作用而破壞。稱為耐久極限或疲勞強度極限。應(yīng)力比P變化時，疲勞強度極限也就不同。過去設(shè)計中在計算鋼結(jié)構(gòu)的疲勞時，規(guī)定的計算條件是構(gòu)件或連接中的最大應(yīng)力口應(yīng)小于相應(yīng)的疲勞容許應(yīng)力，而疲勞容許應(yīng)力又與應(yīng)力比P密切相關(guān)。圖12 不同循環(huán)次數(shù)時的最大應(yīng)力曲線隨著焊接鋼結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)以應(yīng)力為準(zhǔn)則的疲勞驗算方法并不適用于焊接結(jié)構(gòu)，對大量實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析表明：控制焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的最主要的因素是構(gòu)件和連接構(gòu)造類型和應(yīng)力幅（應(yīng)力幅，是最大拉應(yīng)力與最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力的代數(shù)差，即當(dāng)為壓應(yīng)力時，應(yīng)取負(fù)值。），而與應(yīng)力比無關(guān)。下面舉例說明：焊接結(jié)構(gòu)與非焊接結(jié)構(gòu)的根本區(qū)別在于

10、焊接殘余應(yīng)力。在焊接結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件和焊縫中有較大的殘余應(yīng)力，例如焊接工字形板梁在其與腹板相交處附近的翼緣板內(nèi)存在較大的殘余拉應(yīng)力，其值可高達(dá)鋼材的屈服點。板梁截面內(nèi)的實際應(yīng)力將是外加荷載產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力與早已存在的殘余應(yīng)力之和。這樣，在外荷載的應(yīng)力循環(huán)中由外荷載產(chǎn)生的應(yīng)力比就與實際的應(yīng)力比截然不同。例如設(shè)上面所說的工字形板梁受拉翼緣板在其與腹板相交處附近有殘余拉應(yīng)力，外荷載在受拉翼緣中產(chǎn)生的最大和最小應(yīng)力分別為和。如不計殘余應(yīng)力的影響，名義應(yīng)力比p=201400143；若考慮殘余應(yīng)力影響，受有最大殘余拉應(yīng)力的區(qū)域因鋼材已達(dá)屈服點，外加應(yīng)力不能使該處應(yīng)力再行增加而仍然保持，當(dāng)卸載到外加應(yīng)力為時，該

11、處總應(yīng)力為，實際應(yīng)力比115/2350.489。這說明考慮殘余應(yīng)力影響后的應(yīng)力比已與原先的應(yīng)力比完全不同，但此時兩者的應(yīng)力幅則是完全相同。本例中，與完全一樣，并無變化。上述簡單討論目的是說明在焊接鋼結(jié)構(gòu)中由于殘余應(yīng)力的影響，在出現(xiàn)疲勞裂紋最有可能的應(yīng)力高峰所在部位，不論外加應(yīng)力循環(huán)中和為多大，應(yīng)力比為何值，其實際應(yīng)力狀態(tài)大都變化在和之間，因而名義應(yīng)力比已無實際意義。通過近期對焊援鋼結(jié)構(gòu)疲男強度的餅冤，國外訐多國冢議計規(guī)范中的疲勞計算，已摒棄使構(gòu)件或連接內(nèi)的最大應(yīng)力哦一小于與應(yīng)力比密切相關(guān)的容許疲勞應(yīng)力這一計算方法，而改用了構(gòu)件或連接中的應(yīng)力幅Aa應(yīng)小于疲勞的容許應(yīng)力幅。我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB

12、50017-2003中也已采用此法，即已把疲勞驗算條件由原先采用的驗算最大應(yīng)力： 修改為現(xiàn)在的驗算應(yīng)力幅： 式中，疲勞容許應(yīng)力與應(yīng)力比P有關(guān)，而容許應(yīng)力幅則與應(yīng)力比p無關(guān)。由此可見，焊接鋼結(jié)構(gòu)的疲勞驗算與結(jié)構(gòu)所受的最大應(yīng)力無關(guān)，而只與應(yīng)力幅有關(guān)。國內(nèi)外大量的疲勞試驗證明，構(gòu)件或鏈接的應(yīng)力幅與疲勞壽命n之間呈指數(shù)為負(fù)數(shù)的冪函數(shù)關(guān)系（如圖13所示）。對于某一循環(huán)壽命n1，就有一個應(yīng)力幅1與之對應(yīng)，說明在該應(yīng)力幅值下循環(huán)n1次，構(gòu)件或者連接件就會發(fā)生疲勞破壞。對該曲線關(guān)系取對數(shù)之后，可知之間在雙對數(shù)坐標(biāo)系中成直線關(guān)系。考慮到與n之間的關(guān)系曲線系試驗回歸方程，反映了平均值之間的關(guān)系，同時考慮到實驗數(shù)據(jù)

13、的離散性，取平均值減去2倍的標(biāo)準(zhǔn)差（2s）作為疲勞強度的下限值。如果符合正態(tài)分布，則構(gòu)件或連接的疲勞強度的保證率為97.7%，稱該虛線上的應(yīng)力幅為對應(yīng)某疲勞壽命的容許應(yīng)力幅。圖13 應(yīng)力幅與疲勞壽命n的關(guān)系圖（b）中的虛線延長與橫坐標(biāo)交于點，設(shè)該線對縱坐標(biāo)的斜率為，則對應(yīng)疲勞壽命n的容許應(yīng)力幅可由兩個相似三角形的關(guān)系求出：可求得容許應(yīng)力幅的表達(dá)式為：式中C、均為不同構(gòu)件和連接類別的試驗參數(shù)。對不同的構(gòu)建和連接類型，由于試驗數(shù)據(jù)回歸的直線方程各異，其寫斜率不盡相同。為了設(shè)計方便，規(guī)范將各類型的構(gòu)件和連接，按連接方式、受力特點和疲勞容許應(yīng)力幅，并適當(dāng)照顧-n曲線族的等間隔設(shè)置，歸納劃分為8類，如圖

14、14所示。因此，可得到常幅疲勞的統(tǒng)一校核準(zhǔn)則為：式中，對焊接部位為應(yīng)力幅，；對非焊部位為折算應(yīng)力幅，為計算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最大拉應(yīng)力（取正值），為計算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最小拉應(yīng)力或者壓應(yīng)力（拉為正，壓為負(fù)）；為常幅疲勞的容許應(yīng)力幅，單位為N/mm2。圖14 構(gòu)造分類法的SN 曲線 但是實際結(jié)構(gòu)中作用的交變荷載一般不是常幅荷載，而是變幅荷載，例如吊車梁和橋梁的荷載。顯然變幅疲勞的計算比常幅疲勞的計算復(fù)雜得多。如果能夠預(yù)測出結(jié)構(gòu)在使用壽命期間各級應(yīng)力幅水平所占頻次百分比以及預(yù)期壽命（總頻次）所構(gòu)成的設(shè)計應(yīng)力譜，則可根據(jù)Mincr線性累積損傷準(zhǔn)則，將變幅應(yīng)力幅則算成常幅等效應(yīng)力幅，然后按常幅疲

15、勞進(jìn)行校核。計算公式為：。4、 何謂熱點應(yīng)力答：通過查閱資料，我主要從一下幾個方面來闡述熱點應(yīng)力：（1）熱點應(yīng)力的定義 。在鋼結(jié)構(gòu)中，尖角位置會存在明顯的應(yīng)力集中，在反復(fù)加載、卸載過程中往往會誘發(fā)疲勞裂紋。裂紋一旦產(chǎn)生，這種應(yīng)力集中就不再存在，而推動裂紋擴展的動力是局部彎曲應(yīng)力和薄膜應(yīng)力。因此研究局部彎曲應(yīng)力和薄膜應(yīng)力對研究結(jié)構(gòu)抵抗疲勞裂紋擴展能力具有重要價值。出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中的尖角位置稱為“熱點”(hot spot)，而熱點處的局部應(yīng)力就叫”熱點應(yīng)力”。熱點應(yīng)力與焊接結(jié)構(gòu)的整體幾何形及受載條件有關(guān)，但不包括焊縫尺寸與焊縫缺陷等因素所引起的應(yīng)力集中。（2）熱點應(yīng)力產(chǎn)生的原因。產(chǎn)生熱點應(yīng)力的原因

16、很復(fù)雜，歸納起來主要有一下三大類：a) 構(gòu)件的面外變形。如板梁腹板平面外彎曲，導(dǎo)致加勁肋與受拉翼緣之間的小間隙處的腹板產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力；又例如枕木受力彎曲時強迫主梁上翼緣發(fā)生面外扭曲等。b) 構(gòu)件的震動。如行車時主梁的橫向連接系部件經(jīng)常受激振動，如果其端部連接剛度過大，就會產(chǎn)生較大的次彎矩應(yīng)力。另外，桁架梁的吊桿或斜桿等也經(jīng)常在行車時發(fā)生振動導(dǎo)致端部出現(xiàn)次彎矩。圖 15 熱點應(yīng)力的類型C） 相鄰構(gòu)件存在變形差。在某些橋梁中，相鄰構(gòu)件在運行時會發(fā)生相反的變形趨勢，而又必須變形協(xié)調(diào)，于是在其共同連接部位產(chǎn)生很大的相互作用力，常常導(dǎo)致疲勞裂紋的發(fā)生。例如，對于主桁梁的上面布置縱向板梁的情況，行車時

17、，主桁梁上弦桿有縮短的趨勢，縱梁下翼緣有伸長的趨勢，而兩者卻連接在一起，必須協(xié)調(diào)變形，于是在相互連接處會產(chǎn)生發(fā)雜的熱點應(yīng)力。（3）熱點應(yīng)力的類型。在焊接板或殼結(jié)構(gòu)中，一般有 三中類型熱點，如圖15所示。a型焊趾位于附板的根部， 母板的表面；b型焊趾位于附板的端面邊緣處；c型焊趾 沿著附板及母板的焊縫方向。其中，a型和c型焊趾的熱 點應(yīng)力可按上述定義取為沿板厚方向分布的膜應(yīng)力和彎曲 應(yīng)力之和；而對于b型熱點，由于其位于板件的端面上， 焊趾處的應(yīng)力分布狀態(tài)并不依賴于板厚，使用端面應(yīng)力外推來確定該型熱點的應(yīng)力是唯一得到實用的方法。 （4）熱點應(yīng)力的計算。 a) 精細(xì)網(wǎng)格的熱點應(yīng)力應(yīng)用線性外插法求得。

18、應(yīng)由位于05倍和15倍凈厚度處的應(yīng)力外插到熱點位置，見圖16和圖17。圖16 兩板相交處熱點應(yīng)力的定義 圖17板和肘板相交處熱點應(yīng)力的定義b) 考慮實際熱點位置和假定熱點位置的差異以及應(yīng)力梯度隨兩板之間的夾角( 0。90。)不同而有所差異，按(a)得到的兩板相交處的熱點應(yīng)力應(yīng)乘上如下定義的修正因子。平板問焊接交線： 彎曲板和平板間焊接交線： C）有限元模型。目前大多采用結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)合適當(dāng)?shù)慕Y(jié)果后處理來確定熱點應(yīng)力值。過程如圖18所示。圖185、可采取哪些措施來改善焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能答：焊接接頭在高周疲勞范圍內(nèi)的疲勞強度可能是很低的。因此工程技術(shù)人員會面臨這樣的問題：如何提高焊接鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能？實際上，必須先在設(shè)計階段便采用必要的措施，然后再在結(jié)構(gòu)制造階段也采用相應(yīng)的措施，這樣結(jié)構(gòu)的疲勞行為才有可能得到改善。（1） 設(shè)計措施（如圖19）a） 降低構(gòu)件中的應(yīng)力集中系數(shù)。我們知道，構(gòu)建中的應(yīng)力集中是降低結(jié)構(gòu)疲勞強度的很重要的因素，任何降低應(yīng)力集中的構(gòu)造處理都有助于改善疲勞性能，因此在設(shè)計時要盡量減少構(gòu)件的應(yīng)力集中現(xiàn)象。具體可以從以下兩個方面來處理：采用合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式；合理地選用接頭形式，各種接頭都會產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力集中，所以設(shè)計時要盡量減少焊縫的數(shù)量及其應(yīng)力集中。 b) 采取