钢桥与组合结构桥梁设计

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钢桥疲劳问题分析Fatigue Problems in Steel Bridge Structures

焊接钢结构的疲劳分析 焊接钢结构的优点 焊接接头工作效能较高接头系数=(接头强度/母材强度)×100% 一般对焊接头：系数可达100%, 铆栓接头：系数难以达到100%

水密性和气密性好 节省钢材，减轻结构自重比铆接、栓接结构轻10%~20%

厚度基本上不受限制现代压力容器板厚已达300mm

构造简单，生产效率高，施工方便快速

焊接钢结构的疲劳分析 焊接钢结构的缺点 焊接钢结构的止裂性差焊接结构如果裂纹一旦开始扩展，就难以止住；而铆接、栓接结构中裂 纹扩展到孔洞边缘处会终止

焊接过程易产生气孔、裂纹、夹渣等各类缺陷 焊接结构中存有残余应力和残余变形 对材料敏感一些高强度钢焊接时极易产生裂纹，并对缺陷敏感

疲劳破坏的过程

类似裂缝的焊接缺陷

疲劳裂纹位置和扩展方 向 裂纹起始位臵结构几何形状突变、应力集中部位焊接 结构的焊趾、焊缝根部、焊缝缺陷处

裂缝

焊缝

裂纹扩展方向沿与主应力或正应力垂直的方向扩展

裂缝

焊趾 裂纹

焊缝 裂纹

影响焊接接头疲劳断裂的主要因素 1 应力集中的影响 2 焊接残余应力的影响 3 焊接缺陷的影响 4 焊接接头组织性能对疲劳强度的影响 5 尺寸的影响 6 荷载的影响

应力集中的影响焊接结构的疲劳强度由于 应力集中程度的不同而有很大 的差异。焊接结构的应力集中 包括焊接接头区焊趾、焊根、 焊接缺陷引起的应力集中和结 构截面突变造成的结构应力集 中。若在结构截面突变处有焊 接接头，则其中应力集中更为 严重，最容易产生疲劳裂纹。过度角及圆弧半径对对接接头疲劳强度的影响

A

应力集中对疲劳强度的影响可 以用疲劳缺口系数来衡量。定 义为无缺口试件疲劳强度σA( 应力幅)与缺口试件疲劳强度 σAK(应力幅)的比值，即：

A Kf AK

应力集中对构件疲劳寿命的影响

碳钢对接接头的S-N曲线

焊接接头区存在应力集中，即所谓的缺口效应 。通常可用疲劳强度降低系数γ来描述焊接接头 的疲劳强度特性，即： PW P1 0.89Kf

式中，σP为母材的疲劳强度；σPW为焊接接头疲劳强度。对 于结构钢而言，焊接接头的疲劳降低系数γ与疲劳缺口系数 Kf成反比，即：

因此，可用缺口效应来反映焊接接头的疲劳强度的降低程度

典型焊接接头的疲劳强度

焊接接头焊趾和焊根的疲劳缺口系数Kft和Kfr通常有较大差别 (见下图),因而减小较大Kf值的措施对焊接接头形状优化， 提高疲劳强度是很有意义的。

典型焊接

接头的疲劳缺口系数

小结 由于对接焊缝形状变化不大，因此，它的应力集中比其他形状接头要 小，但是过大的加厚高和过大的母材与焊缝的过度角以及焊趾圆弧半 径都会增加应力集中，使接头的疲劳强度降低。从前图可知，受单向 拉伸的对接接头焊缝余高对疲劳强度是很不利的。若对焊缝表面进行 机械加工，应力集中程度将大大减少，对接接头的疲劳强度也相应提 高。 对接接头的不等厚和错位，以及角变形都会产生结构性应力集中，对 接头的疲劳强度都有不同程度的影响。对于板厚差异大的对接应采取 过度对接的形式。 T型与十字接头的应力集中因数要比对接接头的高，因此T型与十字接 头的疲劳强度远低于对接接头的疲劳强度。单向拉伸的T型接头采用 双面焊接为好，单面焊缝是不可取的。单向拉伸十字接头有间隙的角 焊缝根部特别容易引起破坏，减小焊缝根部间隙长度或将工作焊缝转 换为联系焊缝，可降低焊根的疲劳缺口系数。

试验结果表明，搭接接头的疲劳强度是很低的。有侧面焊缝的搭接接 头疲劳强度仅为基本金属的34%。焊脚为1:1的正面角焊缝的搭接接头 为基本金属的40%。正面角焊缝为1:2的搭接接头应力集中稍有降低， 因而其疲劳强度有所提高，但是这种措施的效果不大。即使对焊缝向 基本金属过渡区进行表面机械加工，也不能显著地提高接头的疲劳强 度。只有当盖板的厚度比按强度条件所要求的增加1倍，才能达到基 本金属的疲劳强度。但是在这种情况下，已经丧失了搭接接头简单易 行的优点，因此不宜采用这种措施。采用所谓“加强”盖板的对接接 头是极不合理的，在这种情况下，接头的疲劳强度由搭接区决定，使 原来疲劳强度较高的对接接头被大大地削弱了。 缺口或者零件横截面积的变化使这些部位的应力应变增大，在高周疲 劳范围，缺口应力对于裂纹萌生和裂纹扩展的初始阶段虽不是唯一的 影响因素，但往往是决定性因素。在焊接结构中若焊接外形导致尖锐 缺口则不仅降低整个结构的强度，而且更为重要的是将引起强烈的应 力集中。应力集中部位是结构的疲劳薄弱环节，控制结构的疲劳寿命 。

焊接残余应力的影响焊接残余应力对疲劳强度的 影响比较复杂。一般而言， 焊接残余应力与疲劳荷载相 叠加，如果是压缩残余应力 ，就降低原来的平均应力， 其效果变现为提高疲劳强度 。反之若是残余拉应力，就 提高原来的平均应力，因此 降低焊接构件的疲劳强度。 由于焊接构件中的拉、压残 余应力是同时存在的，因此 其疲劳强度分析要考虑拉伸 残余应力的作用。残余应力对

应力循环的作用

若焊接残余应力与疲 劳荷载叠加后在材料 表面形成压缩应力， 则有利于提高构件的 疲劳强度。焊接残余 应力与疲劳荷载叠加 后在材料表面形成拉 伸应力，则不利于构 件的疲劳强度。

残余应力及其对疲劳强度的影响

残余应力在交变荷载的作用过程中会逐渐衰减，这是因为在循 环应力的条件下材料的屈服点比单调应力低，容易产生屈服和 应力重分布，使原来的残余应力峰值减小并趋于均匀化，残余 应力的影响也就随之减弱。 在高温环境下，焊接的残余应力会发生松弛，材料的组织性能 也会变化，这些因素的交叉作用，使得残余应力的影响常常可 以忽略。但在这种情况下，应注意温度变化引起的热应力疲劳 所产生的影响。

焊接缺陷的影响焊接缺陷对疲劳强度的影响是与缺 陷的种类、尺寸、方向和位臵有关 的。即使缺陷率相同，片状缺陷( 如裂纹、未熔合、未焊透等)比带 圆角的缺陷(如气孔等)的影响大 ；表面缺陷比内部缺陷的影响大； 与作用力表面垂直的片状缺陷比其 他方向的影响大；位于残余拉应力 场内的缺陷比残余压应力场内的影 响大；位于应力集中区的缺陷(如 焊趾处裂纹)比均匀应力区的缺陷 大。 右图为未焊透对低碳钢对接接头疲 劳强度的影响，随着缺陷严重程度 的增加，焊接接头的疲劳强度显著 降低。未焊透对低碳钢对接接头疲劳强度的影响