鋼橋與組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計

1、鋼橋疲勞問題分析Fatigue Problems in Steel Bridge StructuresFatigue Problems in Steel Bridge StructuresLOGO焊接鋼結(jié)構(gòu)的疲勞分析v焊接鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點n 焊接接頭工作效能較高焊接接頭工作效能較高 接頭系數(shù)（接頭強度接頭系數(shù)（接頭強度/ /母材強度）母材強度）100100 一般對焊接頭：系數(shù)可達一般對焊接頭：系數(shù)可達100100， 鉚栓接頭：系數(shù)難以達到鉚栓接頭：系數(shù)難以達到100100n 水密性和氣密性好水密性和氣密性好n 節(jié)省鋼材，減輕結(jié)構(gòu)自重節(jié)省鋼材，減輕結(jié)構(gòu)自重 比鉚接、栓接結(jié)構(gòu)輕比鉚接、栓接結(jié)構(gòu)輕10%

2、10%20%20%n 厚度基本上不受限制厚度基本上不受限制 現(xiàn)代壓力容器板厚已達現(xiàn)代壓力容器板厚已達300mm300mmn 構(gòu)造簡單，生產(chǎn)效率高，施工方便快速構(gòu)造簡單，生產(chǎn)效率高，施工方便快速焊接鋼結(jié)構(gòu)的疲勞分析v焊接鋼結(jié)構(gòu)的缺點n 焊接鋼結(jié)構(gòu)的止裂性差焊接鋼結(jié)構(gòu)的止裂性差 焊接結(jié)構(gòu)如果裂紋一旦開始擴展，就難以止住；而鉚接、栓接結(jié)構(gòu)中裂焊接結(jié)構(gòu)如果裂紋一旦開始擴展，就難以止??；而鉚接、栓接結(jié)構(gòu)中裂紋擴展到孔洞邊緣處會終止紋擴展到孔洞邊緣處會終止n 焊接過程易產(chǎn)生氣孔、裂紋、夾渣等各類缺陷焊接過程易產(chǎn)生氣孔、裂紋、夾渣等各類缺陷n 焊接結(jié)構(gòu)中存有殘余應(yīng)力和殘余變形焊接結(jié)構(gòu)中存有殘余應(yīng)力和殘余變形

3、n 對材料敏感對材料敏感 一些高強度鋼焊接時極易產(chǎn)生裂紋，并對缺陷敏感一些高強度鋼焊接時極易產(chǎn)生裂紋，并對缺陷敏感v 疲勞破壞的過程n 類似裂縫的焊接缺陷v疲勞裂紋位置和擴展方向n 裂紋起始位置裂紋起始位置 結(jié)構(gòu)幾何形狀突變、應(yīng)力集中部位焊接結(jié)構(gòu)幾何形狀突變、應(yīng)力集中部位焊接結(jié)構(gòu)的焊趾、焊縫根部、焊縫缺陷處結(jié)構(gòu)的焊趾、焊縫根部、焊縫缺陷處n 裂紋擴展方向裂紋擴展方向 沿與主應(yīng)力或正應(yīng)力垂直的方向擴展沿與主應(yīng)力或正應(yīng)力垂直的方向擴展焊趾裂紋焊縫裂縫焊縫裂紋裂縫v 影響焊接接頭疲勞斷裂的主要因素1 應(yīng)力集中的影響2 焊接殘余應(yīng)力的影響3 焊接缺陷的影響4 焊接接頭組織性能對疲勞強度的影響5 尺寸的

4、影響6 荷載的影響n 應(yīng)力集中的影響 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度由于應(yīng)力集中程度的不同而有很大的差異。焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中包括焊接接頭區(qū)焊趾、焊根、焊接缺陷引起的應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)截面突變造成的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中。若在結(jié)構(gòu)截面突變處有焊接接頭，則其中應(yīng)力集中更為嚴重，最容易產(chǎn)生疲勞裂紋。過度角及圓弧半徑對對接接頭疲勞強度的影響A 應(yīng)力集中對疲勞強度的影響可以用疲勞缺口系數(shù)來衡量。定義為無缺口試件疲勞強度A（應(yīng)力幅）與缺口試件疲勞強度AK（應(yīng)力幅）的比值，即：AKAfK應(yīng)力集中對構(gòu)件疲勞壽命的影響碳鋼對接接頭的S-N曲線l 焊接接頭區(qū)存在應(yīng)力集中，即所謂的缺口效應(yīng)。通?？捎闷趶姸冉档拖禂?shù) 來描述焊接接頭的疲勞強度

5、特性，即：PPWf89K. 01式中，P為母材的疲勞強度；PW為焊接接頭疲勞強度。對于結(jié)構(gòu)鋼而言，焊接接頭的疲勞降低系數(shù)與疲勞缺口系數(shù)Kf成反比，即：因此，可用缺口效應(yīng)來反映焊接接頭的疲勞強度的降低程度典型焊接接頭的疲勞強度l 焊接接頭焊趾和焊根的疲勞缺口系數(shù)Kft和Kfr通常有較大差別（見下圖），因而減小較大Kf值的措施對焊接接頭形狀優(yōu)化，提高疲勞強度是很有意義的。典型焊接接頭的疲勞缺口系數(shù)小結(jié)l由于對接焊縫形狀變化不大，因此，它的應(yīng)力集中比其他形狀接頭要小，但是過大的加厚高和過大的母材與焊縫的過度角以及焊趾圓弧半徑都會增加應(yīng)力集中，使接頭的疲勞強度降低。從前圖可知，受單向拉伸的對接接頭焊縫

6、余高對疲勞強度是很不利的。若對焊縫表面進行機械加工，應(yīng)力集中程度將大大減少，對接接頭的疲勞強度也相應(yīng)提高。l對接接頭的不等厚和錯位，以及角變形都會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性應(yīng)力集中，對接頭的疲勞強度都有不同程度的影響。對于板厚差異大的對接應(yīng)采取過度對接的形式。lT型與十字接頭的應(yīng)力集中因數(shù)要比對接接頭的高，因此T型與十字接頭的疲勞強度遠低于對接接頭的疲勞強度。單向拉伸的T型接頭采用雙面焊接為好，單面焊縫是不可取的。單向拉伸十字接頭有間隙的角焊縫根部特別容易引起破壞，減小焊縫根部間隙長度或?qū)⒐ぷ骱缚p轉(zhuǎn)換為聯(lián)系焊縫，可降低焊根的疲勞缺口系數(shù)。l試驗結(jié)果表明，搭接接頭的疲勞強度是很低的。有側(cè)面焊縫的搭接接頭疲勞強度

7、僅為基本金屬的34%。焊腳為1:1的正面角焊縫的搭接接頭為基本金屬的40%。正面角焊縫為1:2的搭接接頭應(yīng)力集中稍有降低，因而其疲勞強度有所提高，但是這種措施的效果不大。即使對焊縫向基本金屬過渡區(qū)進行表面機械加工，也不能顯著地提高接頭的疲勞強度。只有當(dāng)蓋板的厚度比按強度條件所要求的增加1倍，才能達到基本金屬的疲勞強度。但是在這種情況下，已經(jīng)喪失了搭接接頭簡單易行的優(yōu)點，因此不宜采用這種措施。采用所謂“加強”蓋板的對接接頭是極不合理的，在這種情況下，接頭的疲勞強度由搭接區(qū)決定，使原來疲勞強度較高的對接接頭被大大地削弱了。l缺口或者零件橫截面積的變化使這些部位的應(yīng)力應(yīng)變增大，在高周疲勞范圍，缺口應(yīng)

8、力對于裂紋萌生和裂紋擴展的初始階段雖不是唯一的影響因素，但往往是決定性因素。在焊接結(jié)構(gòu)中若焊接外形導(dǎo)致尖銳缺口則不僅降低整個結(jié)構(gòu)的強度，而且更為重要的是將引起強烈的應(yīng)力集中。應(yīng)力集中部位是結(jié)構(gòu)的疲勞薄弱環(huán)節(jié)，控制結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。n 焊接殘余應(yīng)力的影響 焊接殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響比較復(fù)雜。一般而言，焊接殘余應(yīng)力與疲勞荷載相疊加，如果是壓縮殘余應(yīng)力，就降低原來的平均應(yīng)力，其效果變現(xiàn)為提高疲勞強度。反之若是殘余拉應(yīng)力，就提高原來的平均應(yīng)力，因此降低焊接構(gòu)件的疲勞強度。由于焊接構(gòu)件中的拉、壓殘余應(yīng)力是同時存在的，因此其疲勞強度分析要考慮拉伸殘余應(yīng)力的作用。殘余應(yīng)力對應(yīng)力循環(huán)的作用l 若焊接殘余應(yīng)力與

9、疲勞荷載疊加后在材料表面形成壓縮應(yīng)力，則有利于提高構(gòu)件的疲勞強度。焊接殘余應(yīng)力與疲勞荷載疊加后在材料表面形成拉伸應(yīng)力，則不利于構(gòu)件的疲勞強度。殘余應(yīng)力及其對疲勞強度的影響l 殘余應(yīng)力在交變荷載的作用過程中會逐漸衰減，這是因為在循環(huán)應(yīng)力的條件下材料的屈服點比單調(diào)應(yīng)力低，容易產(chǎn)生屈服和應(yīng)力重分布，使原來的殘余應(yīng)力峰值減小并趨于均勻化，殘余應(yīng)力的影響也就隨之減弱。l 在高溫環(huán)境下，焊接的殘余應(yīng)力會發(fā)生松弛，材料的組織性能也會變化，這些因素的交叉作用，使得殘余應(yīng)力的影響常?？梢院雎?。但在這種情況下，應(yīng)注意溫度變化引起的熱應(yīng)力疲勞所產(chǎn)生的影響。n 焊接缺陷的影響 焊接缺陷對疲勞強度的影響是與缺陷的種類、

10、尺寸、方向和位置有關(guān)的。即使缺陷率相同，片狀缺陷（如裂紋、未熔合、未焊透等）比帶圓角的缺陷（如氣孔等）的影響大；表面缺陷比內(nèi)部缺陷的影響大；與作用力表面垂直的片狀缺陷比其他方向的影響大；位于殘余拉應(yīng)力場內(nèi)的缺陷比殘余壓應(yīng)力場內(nèi)的影響大；位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷（如焊趾處裂紋）比均勻應(yīng)力區(qū)的缺陷大。 右圖為未焊透對低碳鋼對接接頭疲勞強度的影響，隨著缺陷嚴重程度的增加，焊接接頭的疲勞強度顯著降低。未焊透對低碳鋼對接接頭疲勞強度的影響b1 -46. 0n 焊接接頭組織性能對疲勞強度的影響 在常溫和空氣介質(zhì)條件下的疲勞試驗研究表明，基本材料的疲勞強度與抗拉強度之間有比較好的相關(guān)性。例如，對于抗拉強度小于1

11、400MPa的碳鋼和合金鋼，光滑試樣的疲勞極限-1與抗拉強度b之間的關(guān)系可表示為： 但焊接接頭的組織性能具有很大的不均勻性，疲勞斷裂發(fā)生在疲勞損傷集中的部位，即使是光滑試樣，其斷裂可能發(fā)生在母材，也可能發(fā)生在焊縫、熔合區(qū)或熱影響區(qū)。因此，焊接接頭的疲勞強度與母材本身的抗拉強度不存在類似上式的關(guān)系。 有關(guān)試驗結(jié)果表明，抗拉強度在438MPa-753MPa之間的鋼材焊接接頭，疲勞壽命大于105時的疲勞強度無顯著差異，只有疲勞壽命小于105時，高強材料接頭的疲勞強度高于低強材料接頭的疲勞強度。一般而言，鋼焊接接頭接近焊縫區(qū)組織性能的變化對對接的疲勞強度影響較小。因此，在焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計規(guī)范中，對于

12、相同的構(gòu)造細節(jié)，不同強度等級的鋼材均采用相同的疲勞設(shè)計曲線。疲勞強度與材料抗拉強度的關(guān)系n 尺寸的影響 人們在疲勞強度試驗中早就注意到了試樣尺寸越大疲勞強度就越低這一現(xiàn)象。標準試樣的直徑通常在6mm-10mm，它通常比實際零部件的尺寸小，因此疲勞尺寸系數(shù)在疲勞分析中必須加以考慮。 導(dǎo)致大小試樣疲勞強度有差別的主要原因有兩個方面：l對處于均勻應(yīng)力場的試樣，大尺寸試樣比小尺寸試樣含有更多的疲勞損傷源；l對處于非均勻應(yīng)力場中的試樣，大尺寸試樣疲勞損傷區(qū)中的應(yīng)力比小尺寸試樣更加嚴重。 焊接構(gòu)件的厚度對焊趾應(yīng)力集中有較大的影響，如右圖板厚對焊趾區(qū)應(yīng)力集中因數(shù)的影響 右圖所示為板厚對角焊縫焊趾區(qū)應(yīng)力梯度的

13、影響。在同樣裂紋深度和峰值應(yīng)力的條件下，雖然薄板的應(yīng)力梯度大于厚板的應(yīng)力梯度，但是，在裂紋深處的應(yīng)力存在較大差異，由此造成的裂紋在厚板中更容易擴展。 在評定焊接構(gòu)件的疲勞強度時，不可能對所有厚度的結(jié)構(gòu)都進行疲勞試驗，通常都是根據(jù)已知厚度構(gòu)件的疲勞強度推算其他厚度構(gòu)件的疲勞強度。例如，當(dāng)應(yīng)用S-N曲線進行疲勞評定時，若已知厚度為t0構(gòu)件的疲勞強度為S0，擬評定的構(gòu)件厚度為t，其疲勞強度S可表示為：nttSS00式中，式中，n n為厚度修正參數(shù)，焊接狀態(tài)下的焊為厚度修正參數(shù)，焊接狀態(tài)下的焊縫縫n n值一般取值一般取0.330.33，修整后的焊縫，修整后的焊縫n n值取值取0.200.20板厚對焊趾

14、區(qū)應(yīng)力梯度的影響n 荷載的影響 絕大多數(shù)材料的疲勞強度是由標準試樣在對稱循環(huán)正弦波加載情況下得到的，而實際零部件所受到的荷載是十分復(fù)雜的。不同荷載情況對疲勞強度的主要影響包括荷載類型的影響、加載頻率的影響、平均應(yīng)力的影響、荷載波形的影響、荷載中間停歇和持續(xù)的影響等。v 焊接接頭的抗疲勞措施 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞多起源于焊接接頭應(yīng)力集中區(qū)。為保證焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度要求，必須對焊接接頭進行抗疲勞設(shè)計并采取相應(yīng)的工藝措施，以改善和提高焊接接頭抗疲勞開裂和裂紋擴展的性能。焊接接頭的抗疲勞設(shè)計應(yīng)做到既滿足所需的疲勞強度、使用壽命和安全性，又能使焊接結(jié)構(gòu)全壽命周期費用盡可能降低。 提高焊接接頭的抗疲勞性能主

15、要從以下兩方面考慮：1. 降低應(yīng)力集中2. 工藝措施n 降低應(yīng)力集中 應(yīng)力集中是降低焊接接頭和結(jié)構(gòu)疲勞強度的主要原因，只有當(dāng)焊接接頭和結(jié)構(gòu)的構(gòu)造合理，焊接工藝完善，焊接金屬質(zhì)量良好時，才能保證焊接接頭和結(jié)構(gòu)具有較高的疲勞強度。焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計的重點是減少應(yīng)力集中的作用，同時選用抗疲勞開裂、抗腐蝕性能好的母材和焊接。 疲勞裂紋源于焊接接頭和結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中點，消除或降低應(yīng)力集中的一切手段，都可以提高結(jié)構(gòu)的疲勞強度。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計可降低應(yīng)力集中，主要措施有：l優(yōu)先選用對接接頭，盡量不用搭接接頭。l降低名義應(yīng)力等級。l降低幾何應(yīng)力集中，減小結(jié)構(gòu)斷面突變。l避免三向焊縫空間匯交。l只能單面施焊

16、的對接焊縫，在重要結(jié)構(gòu)上不允許在背面放置永久性墊板，這種結(jié)構(gòu)避免采用斷續(xù)焊縫。n 工藝措施 焊接接頭的疲勞斷裂多始于形狀不連續(xù)、缺口和裂紋等局部應(yīng)力峰值區(qū)。對于整個焊接結(jié)構(gòu)而言，應(yīng)力峰值區(qū)所占的比例不大，但對結(jié)構(gòu)疲勞完整性可能起決定性的作用。在焊接結(jié)構(gòu)制造過程中采取有效的措施降低和消除應(yīng)力峰值的不利影響，則能夠顯著提高焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。因此，必須重視提高焊接接頭抗疲勞性能的各項工藝措施的應(yīng)用。 常用的抗疲勞工藝措施主要包括焊接外形修整、調(diào)整殘余應(yīng)力和表面處理。l 焊接外形修整方法 表面機械加工：采用表面機械加工減少焊縫及附近的缺口效應(yīng)，可以降低構(gòu)件的應(yīng)力集中程度，提高接頭的疲勞強度。 電弧整形：采用電弧整形的方法可以替代機械加工的方法使焊縫與母材之間平滑過渡 特殊焊接工藝：在焊接過程中采用特殊處理方法來提高焊接接頭的疲勞強度，比在焊后修整更為簡單和經(jīng)濟。l 調(diào)整殘余應(yīng)力的方法 應(yīng)力釋放：采用整體熱處理是消除焊接殘余應(yīng)力的有效方法 超載預(yù)拉伸：采用超載預(yù)拉伸的方法可降低殘余應(yīng)力，甚至在某些條件下可在缺口尖端產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力，來提高焊接接頭的疲勞強度 局部處理：因為疲勞裂紋的萌生大多起源于材料或街頭表面，采用局部加熱、滾壓或噴丸工藝時