动载焊接结构设计方案Ⅱ

编者：黎明WTIHarbin2003.9结构与设计思考题6：思考题6：应该如何进行焊接结构的疲劳强度设计？1、焊接结构疲劳强度设计的一般原则设计过程可分为以下三个步骤：=1\＊GB2⑴考虑实用性,进行功能设计根据结构未来的工作情况，合理地提出结构的承载能力、强度、刚度、耐蚀度、使用寿命等比较具体的要求.考虑安全性，这些要求不能太低；考虑经济性，这些要求也不能过高.=2\＊GB2⑵进行方案设计根据上述要求，选择确定结构材料、结构构造形式、传动形式、自动化程度、控制方式、生产制造工艺等综合设计方案，它们互相联系,又互相制约；=3\＊GB2⑶进行具体的施工图设计绘图前,进行必要的计算，以便确定结构的重要尺寸。我们要讲的是如何合理选择动载焊接结构、焊接接头的结构形式和怎样进行必要的计算。设计动载焊接结构必须特别强调两点：①“动载”,对应力集中非常敏感；②焊接接头属于刚性连接形式，对应力集中也比较敏感。而且“焊接结构”难免有焊接残余应力、变形、焊接缺陷等，存在应力集中现象。因此，设计动载焊接结构时,必须注意以下几点：=1\*GB2⑴承受拉伸、弯曲、扭转的构件,截面面积变化时，尽量保持平顺、圆滑的过渡,尽量防止或减小构件截面刚度突然变化，避免造成较大的附加应力和应力集中.=2\*GB2⑵对接、角接、丁字、十字接头等，均应优先采用对接焊缝，少用角焊缝；=3\＊GB2⑶单面搭接接头角焊缝的焊根、焊趾处，既有偏心弯矩的作用,又有严重的应力集中，承受疲劳载荷的能力很低，必须尽量避免采用这种接头形式；⑷承受疲劳载荷的角焊缝（未焊透的对焊缝，也看作角焊缝)，危险点在应力集中比较严重的焊缝根部或焊趾处.应采用如下措施：①开坡口，加大熔深，减小焊缝根部的应力集中;②将焊趾处加工成圆滑过渡的形状，减小焊趾的应力集中;⑸处于拉应力场中的焊趾、焊缝端部或其它严重的应力集中处（如裂纹），应设置缓和槽、孔,以便降低应力集中的影响。总之，应采取一切措施,排除或减小应力集中的影响.2、疲劳强度的许用应力设计法我国钢结构标准，原设计规范基本金属及连接的疲劳计算中，采用疲劳许用应力。⑴许用应力的确定先通过实验测定材料、结构的疲劳强度或疲劳极限，再按存活率（一般结构97。7％，特重要结构99。99%)和疲劳循环次数（如2×106次)确定疲劳强度；疲劳强度的许用应力式中：—安全系数；⑵设计原则最大疲劳工作应力≤许用应力⑶缺点①没有考虑疲劳载荷的累积效应;②没有考虑过载峰对疲劳寿命的影响;③没有考虑千变万化的不确定因素。过去把这些不确定因素的影响，涵盖在安全系数里，加以考虑。电站两例图1亚临界裂纹扩展与临界尺寸3、图1亚临界裂纹扩展与临界尺寸思考题7：何谓焊接结构的疲劳寿命？如何设计才能保证焊接结构的疲劳寿命，又经济合理？=3\*GB1⒊1思考题7：何谓焊接结构的疲劳寿命？如何设计才能保证焊接结构的疲劳寿命，又经济合理？一个初始裂纹的构件,只有载荷应力达到临界值时（图1）,亦即当裂纹尖端的应力强度因子达到临界值时,才会失稳破坏.一个有初始裂纹的构件承受的循环应力时,裂纹会发生缓慢扩展。初始裂纹扩展到临界裂纹的过程，称为疲劳裂纹的亚临界扩展阶段。研究疲劳裂纹亚临界扩展规律,对结构的疲劳寿命设计和确定现役结构的疲劳寿命，具有重要的理论意义和实用价值。图2不同加载方式的实验结果=3\＊GB1⒊2疲劳裂纹扩展规律图2不同加载方式的实验结果疲劳寿命设计有两种设计原则:⑴按疲劳裂纹发生寿命设计：该设计法以积累损伤不产生疲劳裂纹为限度。⑵按疲劳裂纹扩展寿命设计：该设计法以积累损伤，疲劳裂纹不失稳为限度。(如某水电厂发现水轮机蜗壳上有一个较长的裂纹……为例）疲劳裂纹扩展速率计算公式：一般公式：：与材料有关的系数帕瑞斯公式：~（塑～脆）图3不同r对da／dN的影响图3不同r对da／dN的影响帕瑞斯的实验结果如图2,可见亚临界裂纹扩展速率不受试样几何形状和加载方式的限制,各实验点都落在一条直线上，裂纹扩展速率直接接受应力强度因子幅值的控制。但图3的结果说明,相同，不同，裂纹扩展速率并不相等，这说明,帕瑞斯公式过分强调了，即的作用,而忽视了增大，特别是趋近时，对裂纹扩展的加速作用。考虑了上述因素的是福曼公式：图4福曼公式处理后的da／dN图4福曼公式处理后的da／dN图以福曼公式处理图2的实验结果，绘到图4上，其直线度更好.但许多高韧性材料难以测出，难以使用此公式.合并、作用的是华格公式：图5华格公式处理后的da／dN图式中：图5华格公式处理后的da／dN图铝合金2024-T3，7075—T6。数据处理结果见图5。2～7，是图中直线的斜率。在较大的范围内变化时，如图6所示，有不同的数值。能够反映这一广域情况的是陈篪公式：=3\＊GB1⒊3疲劳裂纹扩展寿命的估算图6da／dN－ΔK的一般关系图若经过次疲劳循环，裂纹扩展到长，再由计算出裂纹失稳扩展的临界尺寸，即可根据上述公式，如帕瑞斯公式，求定积分，得出剩余寿命：。图6da／dN－ΔK的一般关系图对于无限大板中心穿透裂纹的情况：，代入上式得式中.若，则剩余寿命：与相比，、、、等都是不变或基本不变的数，将它们合并到常数中，上面的两个公式可以简化为：（用于国际焊接学会设计规范）或（用于我国钢结构标准）。式中：，设定m,c可使通过实验数据求得。4、疲劳极限状态设计法随着计算机技术的飞速发展，现代极限设计法，日趋科学和完善。疲劳极限状态设计法的基本特点和基本公式如下。=4\*GB1⒋1从结构的随机变幅载荷的实际情况出发；⑴疲劳极限状态设计法，仅适用于低应力中、高周随机变幅疲劳的结构元件及其连接的疲劳计算。对于：①结构表面温度高于150℃易氧化，更高可能有相变、蠕变等…问题；②海水、腐蚀介质环境会加速裂纹的产生和扩展；③消除焊接残余应力的高温热处理可能使构件晶粒粗大，疲劳寿命降低;④高应变低周疲劳扩展速率很大等…以上特殊情况，另有计算办法，不属于疲劳极限设计法的应用范围。⑵裂纹尖端因子的变化幅值与裂纹扩展速率直接相关.疲劳极限状态设计法，将应力变化幅值，作为重要的计算参量。因与在特定结构中有对应关系，而比容易测量和计算。图7货车主梁的疲劳应力谱及其直方图⑶实际结构多在随机变幅疲劳载荷下服役.通过传感器可实际测量并记载（或用理论计算）,获得随机变幅疲劳载荷应力谱（如图7所示），采用统计方法，将不同应力水平的及其发生率，绘制成疲劳应力谱直方图。整理后的直方图如图8所示。实验研究结果表明，及其所产生的疲劳损伤，符合疲劳线性累积损伤定则。图7货车主梁的疲劳应力谱及其直方图⑷疲劳线性累积损伤定则:时，则损伤累积到发生疲劳破坏的程度。图8疲劳设计应力谱及直方图式中:是对应于发生疲劳破坏的循环次数图8疲劳设计应力谱及直方图根据此式，可以推导出，将随机变幅应力转换成等效等幅应力的表达式。⑸等效等幅应力式中：，相当于在等幅应力作用下，发生疲劳破坏的次数;:变幅载荷引起的各个水平的应力幅值；：对应的循环次数.假定:①低于疲劳极限的,无影响,不计入；②加载顺序的影响忽略不计.均方差反映的分散度,影响计算的准确度。=4\＊GB1⒋2疲劳强度曲线针对各自不同的实际结构特点。或是疲劳载荷在结构上的应力效应；是结构抵抗疲劳载荷的能力。二者都会因为结构的不同和时间、环境的不同而不断变化。疲劳极限设计法将所有这些因素一一给予考虑：⑴将实际结构细分成各种不同的细节形式，GB-17—88列出的构件和细节类型19种如表1所示，采用实验与理论分析计算的方法求得它们的疲劳强度（表中类别为1～8种疲劳强度级别，见表３）.有一定的分散度，其平均值、均方差按下式计算：平均值；均方差.表1疲劳计算的构件和连接分类项次简图说明类别1无连接处的基本金属：1。轧制工字钢2.钢板:（a）两边为轧制边或刨边;(b)两边为自动、半自动切割边（切割质量标准应符合《钢结构工程施工及验收规范》一级标准）1122横向对接焊缝附近的基本金属：1。焊缝经加工、磨平及无损检验（符合《钢结构工程施工及验收规范》一级标准)2。焊缝经检验，外观尺寸符合一级标准233不同厚度（或宽度）横向对接焊缝附近的基本金属、焊缝经加工成平滑过渡，并经无损检验符合一级标准14纵向对接焊缝附近的基本金属，焊缝经无损检验及外观尺寸检验，均符合二级标准25翼缘连接焊缝附近的基本金属、焊缝质量经无损检验符合二级标准：1。单层翼缘焊:(a）自动焊（b）手工焊2.单层翼缘焊2336横向加劲筋端附近的基本金属:1。筋端采用回焊不断弧2。筋端断弧457蹄形节点板对接于梁翼缘、腹板以及桁架构件处的基本金属，过度处在焊后铲平、磨光、圆滑过渡，不得有焊接起弧、熄弧缺陷58矩形节点板焊接于梁翼缘或腹板处的基本金属L＞150mm79翼缘板中断处的基本金属（板端有正面焊缝)710正面角焊缝处的基本金属611两侧面角焊缝连接端部的基本金属812三面围焊角焊缝端部的基本金属813三面围焊或两侧面角焊缝连接的节点板基本金属(节点板计算宽度按扩散角考虑）714Ｋ形对接焊缝处的基本金属,两板轴线偏离小于，焊缝无损检验且焊趾角515十字形接头角焊缝处的基本金属，两板轴线偏离小于716按有效截面确定的切应力范围计算817铆钉连接处的基本金属318连接螺栓和虚孔处的基本金属319高强度螺栓连接处的基本金属2注：1。所有对接焊缝均须焊透;2.项次16中的切应力范围,其中与同方向时，取正值;与反方向时，取负值；表2疲劳强度数值ΔσR(MPa)⑵各个细节的疲劳强度值。绘制它们的疲劳强度曲线，如图9所示。表2列入了105、2×106、5×106和108次等，不同疲劳寿命N的疲劳强度值。欧洲规范，将N=2×106次的疲劳强度值作为表2疲劳强度数值ΔσR(MPa)图9用应力幅值表示的疲劳强度曲线⑶欧洲钢结构疲劳设计规范图9用应力幅值表示的疲劳强度曲线中，―抗力变化分项系数；―载荷变化分项系数。、均为的系数。这表明,将容许的载荷效应指标减小了由、决定的额度,以确保安全。⑷我国钢结构设计标准GB-17-88中，疲劳设计采用的计算公式：中，疲劳应力幅值，对于随机变幅疲劳应力,按等效等幅应力计算：;这属于疲劳载荷在结构上的综合效应。，也可由疲劳强度曲线得出：。称为容许疲劳应力幅值,分8个级别，与表1中列出的19种构件及其连接的8个类别相对应。将8个类别的m、c值及时的值一并列入表3中.根据具体构件和连接形式可由表1查其类别，再由表3查m、c的值，根据计算公式:，即可计算出不同循环次数Ｎ时的容许疲劳应力幅值；或由计算寿命Ｎ。是特定结构或连接的疲劳抗力，与结构本身存在的应力集中情况密切相关。构件和连接类别疲劳强度曲线斜率m疲劳强度计算参数ｃ容许应力[Δσ]2×106MPa141894×101217624861×1012144333.26×1012118432。08×1012103531。47×101290630.96×101278730。65×101269830.41×101259表3容许疲劳应力幅值及其计算参数=4\＊GB1⒋3设计寿命是结构正常使用，正常运行而无须修理的周期；表3容许疲劳应力幅值及其计算参数在设计结构时,应考虑各零部件寿命的均衡性，防止薄弱环节降低结构的整体寿命.=4\＊GB1⒋4保证使用周期终了时的存活率；思考题8：按照我国的国家标准，如何根据表1、表3对焊接结构进行疲劳强度、疲劳寿命设计？结构的载荷效应和承载能力,会随时间、环境的变化而不断变化。与原有的设计方法不同，极限状态设计要考虑这些变化的影响，并保证使用周期终了时，结构的实际存活率，即保证结构有足够的可靠度。思考题8：按照我国的国家标准，如何根据表1、表3对焊接结构进行疲劳强度、疲劳寿命设计？=4\*GB1⒋5国际焊接学会循环加载焊接钢结构疲劳设计规范本疲劳强度设计规范的出发点是，焊接结构的疲劳寿命,取决于结构内各焊接接头的疲劳强度，而焊接接头的疲劳强度,又取决于施加疲劳载荷的应力幅值和接头类别所决定的应力集中情况。本规范适用于,焊态的的碳钢、碳锰钢和细晶粒调质钢材的焊接接头。不适于严重腐蚀介质下工作的焊接构件。安全评定实际需求寿命结构寿命=1\*GB2⑴疲劳强度评定程序安全评定实际需求寿命结构寿命比较载荷历程应力谱比较载荷历程应力谱等效等幅应力焊接接头细节类别相关的S—N曲线推算推算首先根据载荷历程，或实测结构应力，编制各接头工作状态应力谱，按积累损伤原则计算等效等幅应力，结合接头细节类型的S-N疲劳强度曲线，推算结构寿命，并作比较：若高于实际需求寿命,则接头形式、细节类型可用。否则，应采取必要的安全措施.=2\*GB2⑵S—N疲劳强度曲线本规范的S-N双对数坐标疲劳强度曲线，如图10所示，是根据焊接试样的常幅疲劳试验的数据建立的。数学分析表达式为：，ｃ值的大小决定着各条曲线的位置。ｍ值在3~4之间变化，是双对数坐标疲劳强度曲线的斜率,ｍ值相同，线就互相平行。图10a)ｍ＝３；图10ｂ）ｍ＝3.5，它们在N=2×106处相交(疲劳强度值相等)。图10中125、112…等是各细节类型N＝2×106时的疲劳强度2×106，表4中列出了各曲线的c值，以便计算不同N值（疲劳寿命)时的疲劳强度.28种接头细节类型及其说明列于表5中，图10、表4、表5的数据、类型互相对应。本规范认为，当应力幅值较小时，如ｍ＝3，ｃ≤7×1010或ｍ＝3。5，ｃ≤4×1011(相当于载荷应力幅值≤33MPa）时，可视为静载，无须进行疲劳强度计算。载荷应力幅值５×10８（疲劳极限)时,亦不需进行疲劳强度计算.图10IIW．DOC639—81的S—图10IIW．DOC639—81的S—N曲线表4S—N曲线的C至及其相应的疲劳强度、疲劳极限类型级别C值疲劳极限,MPa类型级别C值疲劳极限，MPaa）m＝3b）m＝3.5125112100908071635650453.91×10122。81×10122。00×10121.46×10121.02×10127.16×10115.0×10113.51×10112.50×10111。82×101192827466595246413733125112100908071635650454.37×10132.97×10132。00×10131。38×10139。16×10126。03×10123.97×10122。63×10121。77×10121.22×101296867769625548433835表5焊接接头分类项次标明疲劳裂纹形式和应力的接头形状接头特点概述细部类别1对接接头、磨平、百分之百探伤1252在工厂，用埋弧焊以外的任何方法，以平焊位置施焊的横向对接接头，无损检测100项次标明疲劳裂纹形式和应力的接头形状接头特点概述细部类别3不符合第2项要求的横向对接接头，无损检测804带垫板的横向焊缝，应力范围计算以母材为基础，扣除垫板影响715开坡口的纵向连接焊缝，用自动焊方法施焊，焊缝上不停留1256用自动焊方法施焊的纵向角焊缝，焊缝上不停留1127手工施焊的纵向连续角焊缝或开坡口焊缝（应力范围已靠近焊缝的盖板为基础）1008纵向断续角焊缝(应力范围以焊缝端部处的盖板为基础）809纵向开坡口焊缝或角焊缝，或以半圆孔断开的断续角焊缝（应力范围取自焊缝端部的盖板）7110纵向角焊缝焊接的角接板：＜150mm＞150mm靠近端部71635011横向角焊缝焊接的角接板8012在板边缘处焊接的角接板5013非承载的剪切连接8014焊接在梁腹板上的加强筋，以靠近筋板的腹板正应力范围为基础8015焊接在梁腹板上的加强筋，以靠近筋板的腹板正应力范围为基础8016Ｋ形坡口的十字接头,错边小于板厚的15%71项次标明疲劳裂纹形式和应力的接头形状接头特点概述细部类别17横向角焊缝的十字接头，错边小于板厚的15％6318横向承载的角焊缝盖板接头，焊趾处失效（应力计算建立在承载板与盖板具有同样宽度的基础上)7119纵向承载角焊缝的盖板接头5020磨平的直线或圆弧过渡的对接翼板11221平滑过渡的不同宽度和厚度的横向对接焊缝：⑴与序号2类型相同⑵与序号3类型相同1008022横向对接焊缝，平滑过渡打磨,无损探伤11223板梁上的盖板焊缝的焊趾处（应力范围取自焊缝端部的翼板)5024板梁上的盖板，非焊接的端部5025梁上的多层盖板，焊缝端部(应力范围取自焊趾处的盖板中）5026梁上的过宽盖板,非连接处端部（应力范围取自焊缝端部的盖板）5027自动火焰切割的平板材料，除掉尖角，检查后无裂纹存在12528横向承载角焊缝的平板材料，根部失效，应力范围以焊缝最大高度截面积为基础45=4\*GB1⒋6欧洲钢结构协会的钢结构疲劳设计规范该疲劳设计规范受到相关领域大多数国际组织的审核,已作为“第三本欧洲规范”（Eurocode3）钢结构的设计一书第九章“疲劳"的基本教材，该规范采用疲劳极限状态设计法的原理和方法，用于承受疲劳载荷钢结构的评估、制造、检查和维修。思考题9：欧洲钢结构协会的钢结构疲劳设计规范的优点有哪些？思考题9：欧洲钢结构协会的钢结构疲劳设计规范的优点有哪些？如何综合利用不同规范的不同优点？式中：―结构细节的疲劳强度值;―抗力变化系数；―疲劳载荷效应值;―载荷变化系数。图9用应力幅值表示的疲劳强度曲线（图9、表2在第24页）（6／14页)各个结构细节的疲劳强度值，以双对数疲劳强度曲线的形式,绘制在图9上。把纵坐标刻度（100～1000之间)分为20级,以平行等距直线表示，图中绘出14级不同细节类型的疲劳强度曲线图9用应力幅值表示的疲劳强度曲线（图9、表2在第24页）（6／14页)表2疲劳强度数值ΔσR(MPa)图线的解析表达式为:或。式中：m―图线的斜率；平行的图线段有相同的m值,不同的图线段有不同的常数c，同一图线的与循环数N有一一对应的关系。当构件的全部应力幅值低于的疲劳强度值（常幅疲劳极限）时，一般不再进行疲劳强度计算;低于截止限(次时的疲劳强度值）的应力幅值，在进行变幅疲劳强度计算时，可忽略不计。…等4种典型疲劳寿命数的疲劳强度值表2疲劳强度数值ΔσR(MPa)列于表2中。以时的疲劳强度值160，140…等为细节类型,将各个细节类型的构造细节及其说明一一列入表7～11中.图中的疲劳强度及其图线是以板厚15mm的试样试验获得的，当板厚时，其细节校正后的疲劳强度。垂直载荷的角焊缝，承受疲劳载荷时，破坏截面与载荷约呈30º夹角，角焊缝接头均取最小截面，按切应力计算，等效切应力幅值的计算公式与类同，因其应力集中严重，疲劳强度值很低,如图11，表6所示。图11用且应力幅值表示的疲劳强度曲线空芯截面构件,用途甚广，或用于一般结构，或用于网架结构，各有自己的细节分类图、疲劳设计曲线图和疲劳强度数值表，可查手册，不再赘述。图11用且应力幅值表示的疲劳强度曲线表6抗切疲劳强度数值ΔτR105细节类型2×106截止限1081468037表7非焊件细节细节类型构造细节说明160轧制和冲压制品：板材,带材；②轧制断面;③无缝钢管。要求细节①②③用打磨方法改善刃边、表面和轧制缺陷140剪切和气割板材:④机械气割或剪切材料，然后修整,清除所有可见的板边不连续性；⑤带有很浅和规则波痕的机械气割边缘的材料或手工气割的材料,然后修整,清除所有板边不连续性;对细节④⑤的要求：⑴通过打磨(斜率1:4）改善凹角或估算应力集中的影响；⑵不采用补焊修理。125140拴接连接:⑥应避免无支撑的单侧连接，或者计算应力时考虑偏心的影响；⑦梁的拼接或拴接盖板。对细节⑥⑦的要求：摩擦型连接以毛截面计算应力，其他连接以净截面计算应力。⑧受拉的螺栓和螺纹杆.用螺栓的有效毛截面（受力面积）来计算应力。对预拉伸螺栓,应力幅值取决于预拉力水平和连接的几何条件。3680混凝土钢筋：⑨轧制成型的抗剪连接突缘。见表9，细节⑧是焊接钢筋。表8焊制截面细节类型构造细节说明125连续纵向焊缝:①从两侧施焊的自动对接焊缝,如果焊缝无可见的不连续性，可采用140等级;②自动贴角焊缝，盖板边缘应用表细节中⑤进行检验。对细节①②的要求：无停弧、起弧部位.③从两侧施焊的但包含停弧、起弧部位；④仅有一块垫板从一侧施焊的自动对接焊缝，无停弧、起弧部位；若有采用100等级。⑤手工贴角或对接焊缝；⑥仅一侧施焊的自动对接焊缝,尤其是箱梁，须保证翼缘和腹板充分密贴，腹板边缘预留足够的钝边，以便根部熔透而无烧漏现象⑦经修理的手工或自动贴角和对接焊缝，经充分验证的改善方法，可采用原等级间断纵向焊缝⑧缝合焊缝或定位焊缝,然后未用连续焊缝覆盖1121008071⑨焰割孔处连续焊缝的端部，焰割孔不充填焊缝金属注：为典型的构造细节分类;箭头表示计算应力幅值的位置和方向表9横向对接焊缝细节类型构造细节说明112无垫板：板材、带材和轧制截面的横向拼接；组装前板梁的横向拼接。当采用高质量焊缝并证明无可见不连续性时,细节①②可增加到125等级不等后或不等宽板材或带材的横向拼接,宽度或厚度削成斜率不大于1：4；板材或带材的横向拼接。轧制断面或焊接板梁的横向拼接；不等后或不等宽板材或带材的横向拼接，宽度或厚度削成斜率不大于1;板材、带材、轧制截面或板梁的横向拼接，焊缝余高小于焊缝宽度的20％对①~⑦的要求:⑴采用焊缝引出板，然后清除并沿受力方向把板边打磨光滑；⑵焊缝由两侧施焊。混凝土钢筋对接焊缝对接焊缝，仅由一侧施焊908036细节类型构造细节说明71有垫板横向拼接；不等宽或不等厚的横向对接焊缝,斜率不大于1：4；对⑩和⑾的要求：连接垫板的贴角焊缝终止在距受力板边大于10mm处当不能担保充分密贴或垫板贴角焊缝比距板