钢桥与组合结构桥梁设计

1、钢桥疲劳问题分析Fatigue Problems in Steel Bridge Structures,LOGO,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

2、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 裂纹起始位置 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 裂纹扩展方向 沿与主应力或正应力垂直的方向扩展,焊趾 裂纹,焊缝,裂缝,焊缝 裂纹,裂缝,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

3、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,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A（应力幅）与缺口试件疲劳强度AK（应力幅）的比值，即：,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来描述焊接接头的疲劳强度特性，即：,式中，P为母材的疲劳强度；PW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与疲劳缺口系

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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、方向和位置有关的。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

9、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,焊接接头组织性能对疲劳强度的影响 在常温和空气介质条件下的疲劳试验研究表明，基本材料的疲劳强度与抗拉强度之间有比较好的相关性。例如，对于抗拉强度小于1400MPa的碳钢和合金钢，光滑试样的疲劳极限-1与抗拉强度b之间的关系可表示为：,但焊接接头的组织性能具有很大的不均匀性，疲劳断裂发生在疲劳损伤集中

10、的部位，即使是光滑试样，其断裂可能发生在母材，也可能发生在焊缝、熔合区或热影响区。因此，焊接接头的疲劳强度与母材本身的抗拉强度不存在类似上式的关系。,有关试验结果表明，抗拉强度在438MPa-753MPa之间的钢材焊接接头，疲劳寿命大于105时的疲劳强度无显著差异，只有疲劳寿命小于105时，高强材料接头的疲劳强度高于低强材料接头的疲劳强度。一般而言，钢焊接接头接近焊缝区组织性能的变化对对接的疲劳强度影响较小。因此，在焊接钢结构疲劳设计规范中，对于相同的构造细节，不同强度等级的钢材均采用相同的疲劳设计曲线。,疲劳强度与材料抗拉强度的关系,尺寸的影响 人们在疲劳强度试验中早就注意到了试样尺寸越大疲

11、劳强度就越低这一现象。标准试样的直径通常在6mm-10mm，它通常比实际零部件的尺寸小，因此疲劳尺寸系数在疲劳分析中必须加以考虑。 导致大小试样疲劳强度有差别的主要原因有两个方面： 对处于均匀应力场的试样，大尺寸试样比小尺寸试样含有更多的疲劳损伤源； 对处于非均匀应力场中的试样，大尺寸试样疲劳损伤区中的应力比小尺寸试样更加严重。 焊接构件的厚度对焊趾应力集中有较大的影响，如右图,板厚对焊趾区应力集中因数的影响,右图所示为板厚对角焊缝焊趾区应力梯度的影响。在同样裂纹深度和峰值应力的条件下，虽然薄板的应力梯度大于厚板的应力梯度，但是，在裂纹深处的应力存在较大差异，由此造成的裂纹在厚板中更容易扩展。

12、 在评定焊接构件的疲劳强度时，不可能对所有厚度的结构都进行疲劳试验，通常都是根据已知厚度构件的疲劳强度推算其他厚度构件的疲劳强度。例如，当应用S-N曲线进行疲劳评定时，若已知厚度为t0构件的疲劳强度为S0，拟评定的构件厚度为t，其疲劳强度S可表示为：,式中，n为厚度修正参数，焊接状态下的焊缝n值一般取0.33，修整后的焊缝n值取0.20,板厚对焊趾区应力梯度的影响,荷载的影响 绝大多数材料的疲劳强度是由标准试样在对称循环正弦波加载情况下得到的，而实际零部件所受到的荷载是十分复杂的。不同荷载情况对疲劳强度的主要影响包括荷载类型的影响、加载频率的影响、平均应力的影响、荷载波形的影响、荷载中间停歇和

13、持续的影响等。,焊接接头的抗疲劳措施 焊接结构的疲劳破坏多起源于焊接接头应力集中区。为保证焊接结构的疲劳强度要求，必须对焊接接头进行抗疲劳设计并采取相应的工艺措施，以改善和提高焊接接头抗疲劳开裂和裂纹扩展的性能。焊接接头的抗疲劳设计应做到既满足所需的疲劳强度、使用寿命和安全性，又能使焊接结构全寿命周期费用尽可能降低。 提高焊接接头的抗疲劳性能主要从以下两方面考虑： 降低应力集中 工艺措施,降低应力集中 应力集中是降低焊接接头和结构疲劳强度的主要原因，只有当焊接接头和结构的构造合理，焊接工艺完善，焊接金属质量良好时，才能保证焊接接头和结构具有较高的疲劳强度。焊接结构的抗疲劳设计的重点是减少应力集

14、中的作用，同时选用抗疲劳开裂、抗腐蚀性能好的母材和焊接。 疲劳裂纹源于焊接接头和结构上的应力集中点，消除或降低应力集中的一切手段，都可以提高结构的疲劳强度。通过合理的结构设计可降低应力集中，主要措施有： 优先选用对接接头，尽量不用搭接接头。 降低名义应力等级。 降低几何应力集中，减小结构断面突变。 避免三向焊缝空间汇交。 只能单面施焊的对接焊缝，在重要结构上不允许在背面放置永久性垫板，这种结构避免采用断续焊缝。,工艺措施 焊接接头的疲劳断裂多始于形状不连续、缺口和裂纹等局部应力峰值区。对于整个焊接结构而言，应力峰值区所占的比例不大，但对结构疲劳完整性可能起决定性的作用。在焊接结构制造过程中采取

15、有效的措施降低和消除应力峰值的不利影响，则能够显著提高焊接结构的抗疲劳性能。因此，必须重视提高焊接接头抗疲劳性能的各项工艺措施的应用。 常用的抗疲劳工艺措施主要包括焊接外形修整、调整残余应力和表面处理。,焊接外形修整方法 表面机械加工：采用表面机械加工减少焊缝及附近的缺口效应，可以降低构件的应力集中程度，提高接头的疲劳强度。 电弧整形：采用电弧整形的方法可以替代机械加工的方法使焊缝与母材之间平滑过渡 特殊焊接工艺：在焊接过程中采用特殊处理方法来提高焊接接头的疲劳强度，比在焊后修整更为简单和经济。 调整残余应力的方法 应力释放：采用整体热处理是消除焊接残余应力的有效方法 超载预拉伸：采用超载预拉伸的方法可降低残余应力，甚至在某些条件下可在缺口尖端产生残余拉伸应力，来提高焊接接头的疲劳强度,局部处理：因为疲劳裂纹的萌生大多起源于材料或街头表面，采用局部加热、滚压或喷丸工艺时表面的塑性变形收到约束，使表面产生很高的残余压