IWE动载焊接结构的强度及其设计(工程师-2)解析

2焊接接头和结构的乏累强度IWS-3/3.9-5/18三、影响焊接接头乏累强度的因素影响基本金属乏累强度的因素（如应力集中、截面尺寸、表面状态、加载状况、介质等因素），同样对焊接结构的乏累强度有影响。除此之外焊接结构本身的一些特点，例如焊接结构的应力集中，接头部位近缝区性能的变更，焊接残余应力等也可能对焊接结构乏累强度发生影响，下面探讨这些因素的影响。

2焊接接头和结构的乏累强度（一）应力集中的影响焊接结构中，不同的焊接接头形式和形态，由于在接头部位具有不同的应力集中，对接头的乏累强度发生程度不同的不利影响。1、对接接头由于形态变更不大，因此其应力集中比其他形式接头要小，只是焊缝加强高和过渡角处会使接头乏累强度下降。2、丁字和十字接头，由于在焊缝向基本金属过渡处有明显的截面变更，其应力集中系数比对接接头的高，因此其乏累强度远低于对接接头，未开坡口的角焊缝的十字接头，当焊缝传递工作应力时，其乏累断裂发生母材与焊缝趾端交界处和焊缝上的薄弱环节上。IWS-3/3.9-5/182焊接接头和结构的乏累强度图13为两种钢材十字接头乏累强度图，实线代表乏累强度是按断裂在母材计算的，虚线是按断裂在焊缝计算的。由图可看出合金钢对应力集中比较敏感，在这种状况下，接受低合金钢对乏累强度并没有优越性，此外增加焊缝尺寸对提高乏累强度仅仅在确定范围内才有效。IWS-3/3.9-5/183焊接接头和结构的乏累强度图14为开坡口焊缝的低碳钢十字接头乏累强度图，其乏累强度有较大提高。

IWS-3/3.9-5/182焊接接头和结构的乏累强度图15为焊缝不承受工作应力的低碳钢丁字和十字接头的乏累强度。丁字接头和经过机械加工的接头具有较高的乏累强度。

IWS-3/3.9-5/182焊接接头和结构的乏累强度3、搭接接头的乏累强度是很低的

IWS-3/3.9-6/182焊接接头和结构的乏累强度仅有侧面焊缝的搭接接头（a），其乏累强度最低，只达到基本金属的34%。正面焊缝的搭接接头的焊脚从1:1、1:2、1:3.8其乏累强度从40%(b)，49%(c),51%(d表面加工)和100%（e表面加工）。接受所谓加强盖板的对接接头是极不合理的。由图16(f)试验结果表明，原来乏累强度较高的对接接头被大大减弱了，只有其一半。

IWS-3/3.9-6/182焊接接头和结构的乏累强度（二）近缝区金属性能变更的影响试验探讨表明，在常用的线能量下，低碳钢焊缝、热影响区和基本金属的乏累强度相当接近，其近缝区金属机械性能变更对对接接头的乏累强度影响较小。低合金钢的状况比较困难的，在热循环作用下，热影响区的机械性能变更比低碳钢大，但在有应力集中或无应力集中时都对乏累强度影响不大，试验还表明，材料的性能对乏累裂纹扩展速率有确定的影响，但不太大。在实际焊接结构中，假如热影响区的尺寸不大，就不会降低焊接接头的乏累强度。IWS-3/3.9-6/182焊接接头和结构的乏累强度（三）残余应力的影响内应力对乏累强度的影响，从理论上可以看出，当有内应力时，当应力盾环中最大应力σmax到达σs时，内应力将因应力全面达到屈服而消退，所以当σm达到确定数值时（即σm+σa=σs），内应力对乏累强度将没有影响，当σm小于此值时，则σm越小，内应力的影响愈显著。从焊接接头的乏累强度结果表明焊接应力对乏累强度的影响与应力盾环特征系数γ有关，γ越小（负数），使乏累强度降低，影响乏累强度越严峻，此外应力集中越严峻处其内应力的影响也更为突出。IWS-3/3.9-7/182焊接接头和结构的乏累强度（四）缺陷的影响焊接缺陷对乏累强度的影响大小与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。1、缺陷形态：片状缺陷（如裂缝、未熔合、未焊透）比带圆角的缺陷（如气孔等）影响大。2、缺陷位置：表面缺陷比内部缺陷影响大。3、缺陷受力方向与作用力方向垂直的片状缺陷的影响比其它方向的大。

IWS-3/3.9-7/182焊接接头和结构的乏累强度4、位于残余拉应力区内的缺陷的影响比在残余压应力区的大。5、位于应力集中区的缺陷（如焊趾部裂纹）的影响比在匀整应力场中同样缺陷影响大。6、材料影响，缺陷对缺口敏感性强的乏累强度的影响比一般缺口敏感材料乏累强度影响要大，所以高强钢强度高而实际其乏累强度并没有提高很多。

IWS-3/3.9-7/182焊接接头和结构的乏累强度四、提高焊接结构乏累强度措施（一）降低构件中的应力集中系数结构中的应力集中是降低焊接结构乏累强度的最主要的因素，在结构设计中削减应力集中甚至比确定乏累设计应力还重要。只有当焊接接头和结构设计合理，焊接工艺完善，焊缝金属质量良好时，才能保证焊接接头和结构具有较高的乏累强度，一般可以实行下列措施：IWS-3/3.9-7/182焊接接头和结构的乏累强度1、接受合理的构件结构形式，削减应力集中，以提高乏累强度；2、合理地选择接头形式，尽量接受应力集中系数小的对接接头，焊缝形态过平缓，接受连续焊缝比断续焊缝有利，尽量少接受角焊缝；3、当接受角焊缝时（不行避开）须实行综合措施；机械加工焊缝端部，合理选择角接板形态，保证焊缝根部焊透等；4、用表面机械加工的方法消退焊缝及其旁边的各种刻槽，来降低接头应力集中程度。IWS-3/3.9-7/182焊接接头和结构的乏累强度（二）提高焊接结构乏累强度的工艺措施1、在工艺上应正确选择焊接规范，保证焊缝良好成形和内、外部没有缺陷；2、TIG电弧整形，可以大幅度提高焊接接头的乏累强度；3、调整残余应力场，消退接头的应力集中处的残余压应力均可以提高接头的乏累强度，其方法可以分为两类：（1）结构和元件的整体处理，包括整体退火或超载予拉伸法；IWS-3/3.9-5/182焊接接头和结构的乏累强度IWE-T/3.3-11/29（2）对接头部位局部处理，即在接头某部位接受加热、辗压、局部爆炸等方法，使接头应力集中处产生残余压应力。4、改善材料的机械性能表面强化处理，用小轮挤压或锺轻打焊缝表面及过渡区，或用小钢丸喷射焊缝区都可提高接头的乏累强度。（三）特殊疼惜措施一塑性涂层接受特殊的塑料涂层改善焊接接乏累性能是一种新技术，其效果较显著，正在进一步探讨予以应用。IWS-3/3.9-7/183动载焊接结构的设计一、焊接结构乏累强度设计的一般原则依据焊接结构的特点和大量实际焊接结构设计的实践阅历，得出在焊接结构乏累强度设计时应予以考虑的准则：1.承受拉伸、弯曲和扭转的构件应接受长而圆滑的过渡结构以削减刚度的突然变更；2.优先选用对接焊缝，尽可能少用角焊缝；3.接受角焊缝时最好用双面角焊缝，避开运用单面焊缝；IWS-3/3.9-7/183动载焊接结构的设计4.接受带有搭接盖板的搭接接头，尽可能不用偏心搭接；5.使焊缝（特殊是焊趾、焊缝根部和焊缝端部）位于低应力区（例如弯曲时中性带、承受小弯矩的部分区域、孔边缘上使缺口应力为零的地方、过渡段和转角以外的部位），使各因素引起的缺口效应分散而避开使其叠加；6.在焊趾缺口、焊缝根部缺口和焊缝端部缺口之前或之后（处于力流之中）设置一些缓冲缺口以消退或降低上述缺口部位的应力；IWS-3/3.9-8/183动载焊接结构的设计7.承受横向弯曲的构件应缩短支承间距以削减弯矩；8.横向力应作用于剪切中心之上，以削减扭矩；9.承受拉伸与弯曲的构件如需加强，则加强件长度应小。以减小加强对于构件变形的拘束；10.在薄板范围内合理部位布置焊缝，以减轻弯曲变形；避开能扰乱力流的开口，但与力流垂直的加强筋板角部应切除（加强筋板切角）；11.在特殊紧急的部位以螺栓接头或铆接接头、锻造连接件代替焊接接头（又可便于装配）等IWS-3/3.9-8/183动载焊接结构的设计二、焊接钢结构乏累强度设计计算（一）我国钢结构的标准我国现行钢结构的标准GB-17-88与原设计规范TL17-74相比，在钢结构乏累强度计算中作了一些改动，在原设计规范中，基本金属和连接的乏累计算接受乏累许用应力法进行。在GB-17-18的乏累计算中接受容许应力范围方法；应力按弹性状态计算。容许应力范围按构件和连接类别以及应力循环次数确定。如表1所示(见资料）。IWS-3/3.9-8/183动载焊接结构的设计同时还规定：（1）在应力循环中不出现拉应力的部位可不计算乏累强度；（2）本计算不适用于特殊条件（如构件表面温度高于150℃，构件处于海水腐蚀环境，焊后热处理消退焊接残余应力以及低周高应变乏累条件等）的结构元件及其连接的乏累计算。IWS-3/3.9-8/183动载焊接结构的设计标准中规定对常幅乏累（全部应力循环内的应力范围保持常量），应按下式进行计算：△σ≤[△σ]式中：△σ--对焊接部位为应力范围对非焊接部位为折算应力范围[△σ]--常幅乏累的容许应力范围（Mpa）应按下式计算：式中：n--应力循环次数；c、β-常数，依据表1中的类别按表2计算。IWS-3/3.9-8/184动载焊接结构的设计IWE-T/3.3-13/29对于重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架的乏累，可作为常幅乏累按下式计算：

式中：af—欠载效应的等效系数（按表3接受）---循环次数n为2×106次的容许应力范围（按表4接受）IWS-3/3.9-5/184动载焊接结构的设计IWE-T/3.3-13/29

对变幅乏累（按应力循环内的应力范围随机变更），若能测出结构在运用寿命期间各种载荷的频率分布、应力范围水平以及频次分布总和所构成设计应力谱，则可将其折算为等效常幅乏累，并按下式进行计算：式中：△σe---变幅乏累的等效应力范围，IWS-3/3.9-5/184动载焊接结构的设计IWE-T/3.3-13/29△σe按下式确定：[Δσ]i—第i级应力范围；—以应力循环次数表示的结构预期运用寿命；ni—预期寿命内应力范围水平达到[Δσ]i的应力循环次数。IWS-3/3.9-5/183动载焊接结构的设计IWE-T/3.3-9/29（二）欧洲钢结构协会（ECCS）的钢结构乏累设计规范本规范为承受乏累载荷钢结构的评估、制造、检查和修理，供应了系统的原理和方法，该文稿受到在相关领域工作的大多数国际组织的审核，并已作为“第三本欧洲规范”“Eurocode3”钢结构设计一书第九章“乏累”的基本资料。结构可以承受应力循环次数取决于：公称应力范围及特定结构构件的微小环节类型。具体地讲可以解析地以下式表示：（用于强度低于700Mpa的材料）IWS-3/3.9-11/183动载焊接结构的设计

式中：ΔσR---本规范中给出的在给定应力循环次数下，以应力范围定义的乏累强度（如图18所示）。rm和rs分别为考虑乏累强度和载荷的平安系数。对乏累强度ΔσR选取的平安系数rm，应反映由于局部应力集中、微小环节尺寸、冶金效应、剩余应力、裂纹形态和焊接工序变更等而造成的给定结构微小环节的乏累强度不稳定性。rs与构件设计中所选用的载荷大小、应力循环次数、设计应力谱的等效常幅化有关。该二系数rm、rs适用于在设计中依据结构特性取值，但不应小于1。IWS-3/3.9-12/183动载焊接结构的设计IWS-3/3.9-12/183动载焊接结构的设计IWE-T/3.3-9/29该图中在双对数坐标上绘出一平行等距直线表示的不同接头类型的乏累强度，即把纵坐标刻度分为20级（在100－1000Mpa之间），每一级大约有12％的乏累强度区分。具体可用下式表达：

式中的ΔσR可由表５查出。IWS-3/3.9-12/183动载焊接结构的设计IWE-T/3.3-9/29要说明的是：第一：表中的微小环节类型号（如160,140…）是寿命为N=2×106次应力循环时ΔσR的值。它与表4-6的微小环节类型号相呼应；另外把图１８中的常幅乏累极限定义为寿命为5×106次应力循环时的乏累强度，当构件全部应力范围低于该常幅乏累强度时。无需进行乏累计算。其次：截止限定义寿命为10８次应力循环时的乏累强度，全部低于截止限的应力范围。可略去不计。

IWS-3/3.9-12/184动载焊接结构的设计IWE-T/3.3-9/29第三：图中各乏累强度的平行线。其m值为３。另外，图中乏累强度曲线是以板厚为１５mm的式样试验获得的。当板厚超过２５mm时。可用下式估算强度。

式中:ΔσRc---微小环节校正后的乏累强度；ΔσR――未经校正过的的乏累强度。B--板厚（mm）。IWS-3/3.9-5/184动载焊接结构的设计IWE-T/3.3-9/29第四，切应力乏累强度曲线，通常此种乏累失效时裂纹扩展是沿角焊缝截面（最大高度。截面）进行的，此时m取为５，截止限仍为108次应力循环，但没有常幅乏累限，如图19所示。表11为切应力乏累强度ΔτR的数值IWS-3/3.9-5/184动载焊接结构的设计IWE-T/3.3-9/29设计应力范围Δσe,可接受Miner的累加法则计算式中：K—为应力谱中不同应力范围的总数；ni—对应于应力范围的Δσi应力循环次数；N—设计寿命期间内全部应力范围下的循环数的总和；Δσi—第i级应力范围值。IWS-3/3.9-5/184动载焊接结构的设计IWE-T/3.3-9/29留意本规范只适用于屈服点低于700Mpa的各种等级的结构钢，规范不适用于低周-高应变乏累；即任一标称应力范围超过屈服点σS的1.5倍时，不能接受本乏累评估程序。另外本规范没有考虑由于腐蚀而引起的乏累强度降低，服役温度高于150℃的结构也不能接受本规范进行乏累评估。IWS-3/3.9-5/184动载焊接结构的设计IWE-T/3.3-9/29（三）国际焊接学会的循环加载焊接钢结构的设计规范(IIW.Doc639-81)该乏累强度设计规范适用于焊态的屈服点低于700Mpa的碳钢、碳锰钢和细晶粒钢调质钢材的焊接接头。它不针对某一具体产品，也不适用在严峻腐蚀介质下工作的焊接构件。该规范的动身点是焊接结构的乏累寿命依靠于结构内各焊接接头的乏累强度，而焊接接头的乏累强度主要确定于施加的应力范围和接头类别所确定的应力集中状况。IWS-3/3.9-5/184动载焊接结构的设计IWE-T/3.3-9/291、乏累强度评定程序首先依据载荷的历程编制结构工作状态的各个接头的应力谱，再依据本规范供应的相关曲线，接受适当的损伤累积理论方法计算在此工作应力谱下各个接头的乏累寿命，则可以考虑接受本接头形式、类别。应当指出，对于应力范围保持不变的常幅载荷，作为特例其计算程序为把本标准的各有关S-N曲线所给定的寿命与需求的寿命干脆进行比较。推断接头接纳与否的程序流程为：IWS-3/3.9-5/184动载焊接结构的设计IWE-T/3.3-9/29IWS-3/3.9-5/184动载焊接结构的设计IWE-T/3.3-9/2912、程序中主要内容（1）应力计算:接头中的应力一般就为法向应力，在焊缝旁边如有开孔、拐角应力集中因素时，计算中应予考虑。这是因为在本规范的接头内型中未考虑这一因素。（2）S-N曲线:本乏累设计规范的数据是建立在焊接试样的常幅乏累试验基础上的，S-N曲线一双对数坐标表示，其关系式为