同济大学童乐为高等钢结构作业

1、高等钢结构作业系所：专业：学号：姓名：指导教师：二 零 一 四 年 十 一 月 十 一 日1 1、 焊接结构可能出现哪些类似裂纹的缺陷？焊接结构可能出现哪些类似裂纹的缺陷？答：焊接结构可能出现的类似裂纹的缺陷有：焊接裂纹、气孔、错边和错口、咬边、未焊透、焊瘤。1）焊接裂纹裂纹是焊接结构中危害比较严重的缺陷。她减少焊缝断面面积的同时引起应力集中，使得裂纹扩大，造成接头破坏。它可能 发生在焊缝金属中，也可能发生在母材中，可能垂直于焊缝，也可能平行于焊缝。常见的有焊缝金属内部凝固裂纹和热影响区中的氢裂纹，前者主要取决于凝固速率，后者主要为硬显微组织和材料内氢气逸散情况决定，二者均可通过预热加以控制。

2、根据裂纹受力状况不同，裂纹可分为张开型、滑开型和撕开型。张开型是受垂直于裂纹面的拉应力作用所致；滑开型是受平行于裂纹面、同时垂直于裂纹前缘的剪应力所致；撕开型是受平行于裂纹面、同时平行于裂纹前缘的剪应力所致。裂纹形态如图 1 所示。张开型滑开型撕开型图 1根据裂纹发展方向，裂纹可以分为纵向裂纹和横向裂纹。纵向裂纹在焊缝熔池的凹口内是最常见。横向裂纹一般常见于合金钢焊接时，低碳钢在冷却过快或冷却不均匀时也可能产生横向裂纹。裂纹形态如图 2 所示。2）气孔气孔（如图 3）指的是焊缝金属凝固时，金属内气体由于被截留而引起的孔穴。通常呈球状，尺寸差别很大，很可能散及整个焊缝，也可能局部成串出现。母材或

3、电焊条中的高含硫量、焊条药皮中过量的水分和不稳定的保护气层都可能产生密集气孔。气孔降低焊缝的强度的同时可能使接头处产生渗漏。在焊缝检查时发现有均匀的、成群的链形成气孔必须将这一段焊缝铲去，重新补焊，对单个气孔需根据所在位置的重要性决定是否处理。3）错边和错口错边（如图 4）指的是焊接后两个焊件未在同一平面内，一个高，一个低。若焊件是板材，则称错边，若焊件是管材，则称错口。焊件检验中根据不同情况，对错边和错口量有所要求。4）咬边咬边（如图 5）是指焊趾、焊缝根部或焊道间的沟槽状缺陷。主要是因为焊接时电流、电压过高或焊缝空间位置不合适，造成融化金属分布不均匀。咬边减少了焊接接头承载截面的有效面积，

4、使截面应力增大，使结构的外形尺寸发生突变，造成形状不连续，在咬边处引起较强的应力集中和弯曲应力，明显降低焊接接头的强度和韧性。咬边在检查时肉眼很难发现。图 3 气孔图 4错边图 5咬边5）未焊透未焊透（如图 6）指的是在对接焊缝中，焊接金属没有达到接头的根部，因此焊缝厚度小于其母材的厚度。主要包括焊道间未熔合、焊缝金属与坡口面未熔合、熔深不足。主要依靠在焊接操作前。将焊件边缘整备，并采用适当的焊接条件，保证接头整备和装备的准确性。图 6 未焊透6）焊瘤焊瘤（如图 7）是在焊接过程中熔化金属流淌到焊缝之外未熔化的母材上面形成的金属瘤。一般呈半球形或凝固液滴状，常伴随产生未焊透或缩孔等缺陷。2 2

5、、 防止焊接钢结构脆性断裂的基本措施防止焊接钢结构脆性断裂的基本措施答：造成结构脆性断裂的基本因素有：材料在工作条件下任性不足、缺陷的存在和过大的拉应力。因此，防止钢结构脆性断裂可基于选材、结构的设计和制造三方面。1）正确选用钢材在选材时，应综合考虑材料物理性能之间的影响以及物理性能与经济性和结构破坏所带来后果的严重性，保证在结构工作条件（如：最低环境温度、荷载性能等）下，焊缝、热影响区和熔合线部位具有足够的抗开裂能力，母材应具有一定的止裂性能。在焊接结构的选材中，主要考虑材料的屈服点，材料的的焊接性和材料的缺口韧性。其中缺口韧性适用性可用 V 形缺口冲击试验的结果来检验。由于随着钢材强度提高

6、，其断裂韧性和可焊性都有不同程度下降，选材时不宜选用比实际所需强度更高的材料，特别不应单纯追求强度指标，而忽视了其它性能。2）采用合理的结构设计a) 尽量减少结构刚度。在保证结构变形在要求范围内，尽量减小结构刚度，以降低应力集中和附加应力的影响。b) 要重视结构中附加件的连接形式和不受力焊缝的设计。结构中一些不受重视的接头部位若产生脆性裂纹，也会扩展到结构主体，因此尽量不在主要受力构件上加焊附加件。图8 附加件的连接方案c) 降低板材厚度。增大厚度会提高钢材的转变温度，降低其断裂韧度值。在大型焊接图 7焊瘤结构中，不宜采用过厚的板材。在满足工作应力的条件下，尽量减小板材厚度，可考虑采用多层板，

7、这对降低钢板的转变温度防止结构脆性破坏很有好处。d) 尽量减少结构和接头的应力集中。在一些截面需要改变的地方（如两个不同截面构件的对接接头）应当尽可能设计成平缓过渡，避免突变和尖角。在设计中尽量选用应力集中系数小的对接接头，力求避免选用系数较大的盖板接头，如果有可能，尽量将角焊缝改用对接焊缝，同时尽量采用全焊透焊缝。不同厚度构件对接时应当尽可能采用圆滑过渡。此外，还要充分考虑到可焊性，避免焊缝过度密集，特别是立体相交，以防过大的残余应力和多向应力并，尽量将焊缝布置在易于检查处，远离几何形状发生变化的地方，且应保证焊接质量，避免和减少焊缝缺陷。e) 全面了解结构的工作条件。对于露天情况下工作的焊

8、接结构，应当详细了解其工作环境下的最低温度和气温变化情况，以供设计参考之用。同时还要对焊接结构的工作在有无变动、如何变动、有无冲击荷载等因素予以考虑。f) 采用合理的焊接工艺。在允许的情况下减小焊接线能量，减小焊接残余应力和参与变形，在某些情况下考虑焊接后热处理，以消除焊接残余应力的影响。3 3、 解释应力幅是评价焊接钢结构疲劳强度的一个指标解释应力幅是评价焊接钢结构疲劳强度的一个指标答：疲劳试验证明，当应力比 P 为定值时，使同一试件破坏所经历的循环次数 n 与试件所受最大应力max的大小有关。如图 12 的曲线所示，纵坐标max称为疲劳强度，横坐标称为致损循环次数或疲劳寿命。当值很大时，曲

9、线趋向水平，表示若max低于或等于某一数值cc，致损循环次数可为无限大，亦即此时试件不会因重复荷载作用而破坏。图9 搭接时焊接接头的过渡图10 封头板焊接接头的处理图 11避免焊缝立体相交cc称为耐久极限或疲劳强度极限。应力比 P 变化时，疲劳强度极限也就不同。过去设计中在计算钢结构的疲劳时，规定的计算条件是构件或连接中的最大应力口应小于相应的疲劳容许应力，而疲劳容许应力又与应力比 P 密切相关。图 12不同循环次数时的最大应力曲线随着焊接钢结构的不断发展和应用，发现以应力为准则的疲劳验算方法并不适用于焊接结构，对大量实验数据进行统计分析表明：控制焊接结构疲劳寿命的最主要的因素是构件和连接构造

10、类型和应力幅（应力幅，是最大拉应力与最小拉应力或压应力的代数差，即当min为压应力时，应取负值。），而与应力比无关。下面举例说明：焊接结构与非焊接结构的根本区别在于焊接残余应力。在焊接结构中，构件和焊缝中有较大的残余应力，例如焊接工字形板梁在其与腹板相交处附近的翼缘板内存在较大的残余拉应力，其值可高达钢材的屈服点。板梁截面内的实际应力将是外加荷载产生的弯曲正应力与早已存在的残余应力之和。这样，在外荷载的应力循环中由外荷载产生的应力比就与实际的应力比截然不同。例如设上面所说的工字形板梁受拉翼缘板在其与腹板相交处附近有残余拉应力2235/mmyfN，外荷载在受拉翼缘中产生的最大和最小应力分别为2m

11、ax140/ mmN和2min20/ mmN。如不计残余应力的影响，名义应力比 p=201400143；若考虑残余应力影响，受有最大残余拉应力的区域因钢材已达屈服点，外加应力2max140/ mmN不能使该处应力再行增加而仍然保持maxyf，当卸载到外加应力为2min20/ mmN时，该处总应力为minmaxmaxmin2()235(14020)115N/ mm，实际应力比115/2350.489。这说明考虑残余应力影响后的应力比已与原先的应力比完全不同，但此时两者的应力幅则是完全相同。本例中maxmin214020120N/ mm，与maxmin2235 115120N/ mm完全一样，并无

12、变化。上述简单讨论目的是说明在焊接钢结构中由于残余应力的影响，在出现疲劳裂纹最有可能的应力高峰所在部位，不论外加应力循环中max和min为多大，应力比为何值，其实际应力状态大都变化在yf和yf之间，因而名义应力比已无实际意义。通过近期对焊援钢结构疲男强度的饼冤，国外讦多国冢议计规范中的疲劳计算，已摒弃使构件或连接内的最大应力哦一小于与应力比密切相关的容许疲劳应力这一计算方法，而改用了构件或连接中的应力幅 Aa 应小于疲劳的容许应力幅。我国钢结构设计规范 GB 50017-2003 中也已采用此法，即已把疲劳验算条件由原先采用的验算最大应力：max疲劳修改为现在的验算应力幅：maxmin式中，疲

13、劳容许应力疲劳与应力比 P 有关，而容许应力幅则与应力比 p 无关。由此可见，焊接钢结构的疲劳验算与结构所受的最大应力max无关，而只与应力幅有关。国内外大量的疲劳试验证明，构件或链接的应力幅与疲劳寿命 n 之间呈指数为负数的幂函数关系（如图 13 所示）。对于某一循环寿命 n1，就有一个应力幅1与之对应，说明在该应力幅值下循环 n1次，构件或者连接件就会发生疲劳破坏。对该曲线关系取对数之后，可知lglgn 与之间在双对数坐标系中成直线关系。考虑到与 n 之间的关系曲线系试验回归方程，反映了平均值之间的关系，同时考虑到实验数据的离散性，取平均值减去 2 倍lgn的标准差（2s）作为疲劳强度的下

14、限值。如果lgn符合正态分布，则构件或连接的疲劳强度的保证率为 97.7%，称该虚线上的应力幅为对应某疲劳寿命的容许应力幅。图 13应力幅与疲劳寿命 n 的关系图（b）中的虚线延长与横坐标交于lgc点，设该线对纵坐标的斜率为1/，则对应疲劳寿命 n 的容许应力幅可由两个相似三角形的关系求出：1lglglglglgccccnn可求得容许应力幅的表达式为：1/( )cn式中 C、均为不同构件和连接类别的试验参数。对不同的构建和连接类型，由于试验数据回归的直线方程各异，其写斜率不尽相同。为了设计方便，规范将各类型的构件和连接，按连接方式、受力特点和疲劳容许应力幅，并适当照顾-n 曲线族的等间隔设置，

15、归纳划分为 8 类，如图 14 所示。因此，可得到常幅疲劳的统一校核准则为：式中，对焊接部位为应力幅，maxmin；对非焊部位为折算应力幅maxmin0.7，max为计算部位每次应力循环中的最大拉应力（取正值），min为计算部位每次应力循环中的最小拉应力或者压应力（拉为正，压为负）；为常幅疲劳的容许应力幅，单位为 N/mm2。图 14构造分类法的 S SN N 曲线但是实际结构中作用的交变荷载一般不是常幅荷载，而是变幅荷载，例如吊车梁和桥梁的荷载。显然变幅疲劳的计算比常幅疲劳的计算复杂得多。如果能够预测出结构在使用寿命期间各级应力幅水平所占频次百分比以及预期寿命（总频次）tn所构成的设计应力谱

16、，则可根据 Mincr 线性累积损伤准则，将变幅应力幅则算成常幅等效应力幅e，然后按常幅疲劳进行校核。计算公式为：e。4 4、 何谓热点应力何谓热点应力答：通过查阅资料，我主要从一下几个方面来阐述热点应力：（1）热点应力的定义 。在钢结构中，尖角位置会存在明显的应力集中，在反复加载、卸载过程中往往会诱发疲劳裂纹。裂纹一旦产生，这种应力集中就不再存在，而推动裂纹扩展的动力是局部弯曲应力和薄膜应力。因此研究局部弯曲应力和薄膜应力对研究结构抵抗疲劳裂纹扩展能力具有重要价值。出现明显应力集中的尖角位置称为“热点”(hotspot)，而热点处的局部应力就叫”热点应力”。热点应力与焊接结构的整体几何形及受

17、载条件有关，但不包括焊缝尺寸与焊缝缺陷等因素所引起的应力集中。（2）热点应力产生的原因。产生热点应力的原因很复杂，归纳起来主要有一下三大类：a) 构件的面外变形。如板梁腹板平面外弯曲，导致加劲肋与受拉翼缘之间的小间隙处的腹板产生较大的弯曲应力；又例如枕木受力弯曲时强迫主梁上翼缘发生面外扭曲等。b) 构件的震动。如行车时主梁的横向连接系部件经常受激振动，如果其端部连接刚度过大，就会产生较大的次弯矩应力。另外，桁架梁的吊杆或斜杆等也经常在行车时发生振动导致端部出现次弯矩。C） 相邻构件存在变形差。在某些桥梁中，相邻构件在运行时会发生相反的变形趋势，而又必须变形协调，于是在其共同连接部位产生很大的相

18、互作用力，常常导致疲劳裂纹的发生。例如，对于主桁梁的上面布置纵向板梁的情况，行车时，主桁梁上弦杆有缩短的趋势，纵梁下翼缘有伸长的趋势，而两者却连接在一起，必须协调变形，于是在相互连接处会产生发杂的热点应力。（3）热点应力的类型。在焊接板或壳结构中，一般有三中类型热点，如图 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边缘处；c 型焊趾沿着附板及母板的焊缝方向。其中，a 型和 c 型焊趾的热点应力可按上述定义取为沿板厚方向分布的膜应力和弯曲应力之和；而对于 b 型热点，由于其位于板件的端面上，图 15热点应力的类型焊趾处的应力分布状态并不依赖于板厚，使用端面应力外推

19、来确定该型热点的应力是唯一得到实用的方法。（4）热点应力的计算。a) 精细网格的热点应力应用线性外插法求得。应由位于 05 倍和 15 倍净厚度处的应力外插到热点位置，见图 16 和图 17。图 16两板相交处热点应力的定义图 17 板和肘板相交处热点应力的定义b) 考虑实际热点位置和假定热点位置的差异以及应力梯度随两板之间的夹角( 0。90。)不同而有所差异，按(a)得到的两板相交处的热点应力应乘上如下定义的修正因子。平板问焊接交线：0.80.20.87515=75752 弯曲板和平板间焊接交线：0.7C）有限元模型。目前大多采用结构有限元分析结合适当的结果后处理来确定热点应力值。过程如图

20、18 所示。图 185 5、可采取哪些措施来改善焊接钢结构疲劳性能可采取哪些措施来改善焊接钢结构疲劳性能答：焊接接头在高周疲劳范围内的疲劳强度可能是很低的。因此工程技术人员会面临这样的问题：如何提高焊接钢结构的疲劳性能？实际上，必须先在设计阶段便采用必要的措施，然后再在结构制造阶段也采用相应的措施，这样结构的疲劳行为才有可能得到改善。（1）设计措施（如图 19）a） 降低构件中的应力集中系数。我们知道，构建中的应力集中是降低结构疲劳强度的很重要的因素，任何降低应力集中的构造处理都有助于改善疲劳性能，因此在设计时要尽量减少构件的应力集中现象。具体可以从以下两个方面来处理：1采用合理的结构构件形式； 2 合理地选用接头形式，各种接头都会产生不