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1、动载焊接结构的设计动载焊接结构的设计黑龙江工程学院王佳杰( IWE-3/3.14-17)2010.03一、焊接结构疲劳强度设计的一般原则一、焊接结构疲劳强度设计的一般原则根根据据焊焊接接结结构构的的特特点点和和大大量量实实际际焊焊接接结结构构设设计计的的实实践践经验，得出在焊接结构疲劳强度设计时应予以考虑准则：经验，得出在焊接结构疲劳强度设计时应予以考虑准则：总总的的原原则则：采采取取一一切切措措施施，排排除除或或减减小小应应力力集集中中的影响的影响 。1.承承受受拉拉伸伸、弯弯曲曲和和扭扭转转的的构构件件应应采采用用长长而而圆圆滑滑的的过过渡渡结构以减少刚度的突然变化；结构以减少刚度的突然变
2、化；2.优先选用对接焊缝，尽可能少用角焊缝；优先选用对接焊缝，尽可能少用角焊缝；3.采用角焊缝时最好用双面角焊缝，避免使用单面焊缝；采用角焊缝时最好用双面角焊缝，避免使用单面焊缝；4.采采用用带带有有搭搭接接盖盖板板的的搭搭接接接接头头，尽尽可可能能不不用用偏心搭接；偏心搭接；5.使使焊焊缝缝（特特别别是是焊焊趾趾、焊焊缝缝根根部部和和焊焊缝缝端端部部）位位于于低低应应力力区区（例例如如弯弯曲曲时时中中性性带带、承承受受小小弯弯矩矩的的部部分分区区域域、孔孔边边缘缘上上使使缺缺口口应应力力为为零零的的地地方方、过过渡渡段段和和转转角角以以外外的的部部位位），使使各各因因素素引引起的缺口效应分散
3、而避免使其叠加；起的缺口效应分散而避免使其叠加；6.在在焊焊趾趾缺缺口口、焊焊缝缝根根部部缺缺口口和和焊焊缝缝端端部部缺缺口口之之前前或或之之后后（处处于于力力流流之之中中）设设置置一一些些缓缓冲冲缺缺口以消除或降低上述缺口部位的应力；口以消除或降低上述缺口部位的应力；7.承承受受横横向向弯弯曲曲的的构构件件应应缩缩短短支支承承间间距距以以减减少少弯矩弯矩；8.横向力应作用于剪切中心之上，以减少扭矩；横向力应作用于剪切中心之上，以减少扭矩；9.承承受受拉拉伸伸与与弯弯曲曲的的构构件件如如需需加加强强，则则加加强强件件长长度度应应小小。以以减减小小加加强强对对于于构构件件变变形形的的拘拘束束；1
4、0.在在薄薄板板范范围围内内合合理理部部位位布布置置焊焊缝缝，以以减减轻轻弯弯曲曲变变形形；避避免免能能扰扰乱乱力力流流的的开开口口，但但与与力力流流垂垂直直的的加加强强筋筋板板角角部部应应切切除除（加加强强筋筋板板切切角角）；11.在在特特别别危危险险的的部部位位以以螺螺栓栓接接头头或或铆铆接接接接头头、锻造连接件代替焊接接头（又可便于装配）等锻造连接件代替焊接接头（又可便于装配）等疲劳设计方法疲劳设计方法许用应力法许用应力法疲劳寿命设计疲劳寿命设计 极限状态设计法极限状态设计法我国钢结构标准我国钢结构标准，原原设计规范基本金属及连接的疲劳计设计规范基本金属及连接的疲劳计算中，采用算中，采用
5、疲劳许用应力疲劳许用应力。许用应力的确定许用应力的确定先通过实验测定材料、结构的疲劳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（一般结构强度或疲劳极限，再按存活率（一般结构97.7，特重，特重要结构要结构99.99）和疲劳循环次数（如）和疲劳循环次数（如2次）确定疲劳次）确定疲劳强度强度；疲劳强度的许用应力；疲劳强度的许用应力式中：式中：-安全安全系数；系数；设计原则设计原则最大疲劳工作应力最大疲劳工作应力许用应力许用应力缺点缺点没有考虑疲劳载荷的没有考虑疲劳载荷的累积效应累积效应；没有考虑没有考虑过载峰过载峰对疲劳寿命的影响；对疲劳寿命的影响；没有考虑千变万化的没有考虑千变万化
6、的不确定因素不确定因素。过去把这。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。些不确定因素的影响，涵盖在安全系数里，加以考虑。3.1疲劳裂纹的亚临界扩展疲劳裂纹的亚临界扩展 图图1亚临界裂纹与临界裂纹尺寸亚临界裂纹与临界裂纹尺寸一个初始裂纹一个初始裂纹的构件，只的构件，只有载荷应力达到临界值时有载荷应力达到临界值时（图（图1），亦即当裂纹尖端的），亦即当裂纹尖端的应力强度因子应力强度因子达到临界值达到临界值时，才会失稳破坏。时，才会失稳破坏。一个有初始裂纹一个有初始裂纹的构件承受的构件承受的循环应力时，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裂纹会发生缓慢扩展。初始
7、裂纹扩展到临界裂纹的过的过程，称为疲劳裂纹的程，称为疲劳裂纹的亚临界扩展阶段亚临界扩展阶段。研究疲劳裂纹亚。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。的疲劳寿命，具有重要的理论意义和实用价值。疲劳寿命设计有两种设计原则：疲劳寿命设计有两种设计原则：按疲劳裂纹按疲劳裂纹发生寿命发生寿命设计：该设计法以积累设计：该设计法以积累损伤不产生疲劳裂纹为限度。损伤不产生疲劳裂纹为限度。按疲劳裂纹按疲劳裂纹扩展寿命扩展寿命设计：该设计法以积累设计：该设计法以积累损伤，疲劳裂纹不失稳为限度。损伤，疲劳
8、裂纹不失稳为限度。 裂纹扩展速率可写成以下形式：裂纹扩展速率可写成以下形式：帕瑞斯（帕瑞斯（Paris）提出了以下关于裂纹扩展的重要经验公式：）提出了以下关于裂纹扩展的重要经验公式： 对于中心开有长对于中心开有长2a缺口（裂纹）的无限宽板，有缺口（裂纹）的无限宽板，有:亚临界裂纹扩展速率不受试亚临界裂纹扩展速率不受试样几何形状和加载方法的限样几何形状和加载方法的限制，而直接受应力强度因子制，而直接受应力强度因子幅度幅度K的控制的控制帕瑞斯的指数规律公式（帕瑞斯的指数规律公式（6-9）有两个缺点：）有两个缺点：首先它未考虑平均应力对首先它未考虑平均应力对da/dN的影响，的影响，其次是它未考虑当
9、裂纹尖端的应力强度其次是它未考虑当裂纹尖端的应力强度因子趋近其临界值因子趋近其临界值KIc时，裂纹的加速扩展效应。时，裂纹的加速扩展效应。福曼（福曼（Forman）提出修正公式：）提出修正公式： 图图3根据根据“指数规律指数规律”公式绘制的公式绘制的7075-T6铝合金的铝合金的da/dN与与K的关系曲线的关系曲线图图4根据福曼公式绘制的根据福曼公式绘制的7075-T6铝合金相应曲线铝合金相应曲线图图5华格公式处理后的华格公式处理后的dadN 图图6.7.2 疲劳裂纹扩展特性da/dN-K曲线的一般关系 图图6金属材料金属材料da/dNK在双对数坐标上的一般关系图在双对数坐标上的一般关系图这种
10、指数规律不能用来表征高应变循环条件下裂纹的扩展规律。这种指数规律不能用来表征高应变循环条件下裂纹的扩展规律。高应变循环疲劳也称为低循环疲劳或塑性疲劳。它一般发生在高应高应变循环疲劳也称为低循环疲劳或塑性疲劳。它一般发生在高应力、低循环、高扩展速率的情况下，此时试验条件不是控制应力、力、低循环、高扩展速率的情况下，此时试验条件不是控制应力、而是控制应变幅值。而是控制应变幅值。断裂力学中用裂纹尖端的张开位移来描述此时的裂纹扩展规律，断裂力学中用裂纹尖端的张开位移来描述此时的裂纹扩展规律，即即以上所讨论的是在应力循环条件下，裂纹在弹性区内的扩展规律。以上所讨论的是在应力循环条件下，裂纹在弹性区内的扩
11、展规律。应当说明，这些规律的应用范围是低应力、高循环、低扩展速率。应当说明，这些规律的应用范围是低应力、高循环、低扩展速率。 裂纹张开位移幅度裂纹张开位移幅度t就是影响裂纹扩展速率的主要参量。就是影响裂纹扩展速率的主要参量。低周疲劳（塑性疲劳或应变疲劳）的裂纹扩展速率6.7.3 6.7.3 疲劳裂纹扩展寿命的估算疲劳裂纹扩展寿命的估算以帕瑞斯公式为例，则以帕瑞斯公式为例，则 ：对上式求定积分：对上式求定积分：对于无限大板中心穿透裂纹对于无限大板中心穿透裂纹 n=2时，疲劳裂纹扩展寿命为：时，疲劳裂纹扩展寿命为：于是于是若以福曼公式为例，则：若以福曼公式为例，则：对于无限大板中心穿透裂纹的情况：
12、对于无限大板中心穿透裂纹的情况： 用用Kf表示对应于临界裂纹尺寸表示对应于临界裂纹尺寸ac时的应力强度因子幅值，有：时的应力强度因子幅值，有： 对于应变疲劳的情况，由于此时最大应变已经与屈服应变相当，裂对于应变疲劳的情况，由于此时最大应变已经与屈服应变相当，裂纹尖端的塑性区很大，故必需用弹塑性断裂力学来分析疲劳裂纹扩纹尖端的塑性区很大，故必需用弹塑性断裂力学来分析疲劳裂纹扩展速率，也就是说利用裂纹尖端张开位移幅度展速率，也就是说利用裂纹尖端张开位移幅度或或J积分幅度积分幅度J作为控制裂纹扩展速率的主要参量，即：作为控制裂纹扩展速率的主要参量，即：式中的式中的A，n和和B，m在一定条件下是材料常
13、数。在一定条件下是材料常数。 二、焊接钢结构疲劳强度设计计算二、焊接钢结构疲劳强度设计计算（一）我国钢结构的标准（一）我国钢结构的标准我我国国现现行行钢钢结结构构的的标标准准GB-17-88与与原原设设计计规规范范TL17-74相相比比，在在钢钢结结构构疲疲劳劳强强度度计计算算中中作作了了一一些些改改动动，在在原原设设计计规规范范中中，基基本本金金属属和和连连接接的的疲疲劳劳计计算算采采用用疲疲劳劳许许用用应应力力法法进进行行。在在GB-17-18的的疲疲劳劳计计算算中中采采用用容容许许应应力力范范围围方方法法；应力按弹性状态计算。应力按弹性状态计算。容容许许应应力力范范围围按按构构件件和和连
14、连接接类类别别以以及及应应力力循循环次数确定。如表环次数确定。如表1所示所示(见资料见资料）。）。同时还规定：同时还规定：（1）在在应应力力循循环环中中不不出出现现拉拉应应力力的的部部位位可可不不计计算疲劳强度；算疲劳强度；（2）本本计计算算不不适适用用于于特特殊殊条条件件（如如构构件件表表面面温温度度高高于于150，构构件件处处于于海海水水腐腐蚀蚀环环境境，焊焊后后热热处处理理消消除除焊焊接接残残余余应应力力以以及及低低周周高高应应变变疲疲劳条件等）的结构元件及其连接的疲劳计算。劳条件等）的结构元件及其连接的疲劳计算。标标准准中中规规定定对对常常幅幅疲疲劳劳（所所有有应应力力循循环环内内的的
15、应应力力范范围保持常量），应按下式进行计算：围保持常量），应按下式进行计算：式中：式中：-对焊接部位为应力范围对焊接部位为应力范围对非焊接部位为折算应力范围对非焊接部位为折算应力范围-常幅疲劳的容许应力范围（常幅疲劳的容许应力范围（Mpa）应按下式计算：应按下式计算：式中：式中：n-应力循环次数；应力循环次数；c、-常数，根据常数，根据表表1中的类别按中的类别按表表2计算。计算。对对于于重重级级工工作作制制吊吊车车梁梁和和重重级级、中中级级工工作作制制吊车桁架的疲劳吊车桁架的疲劳，可作为常幅疲劳按下式计算：，可作为常幅疲劳按下式计算：式中：式中：af 欠载效应的等效系数（欠载效应的等效系数（按
16、表按表3采用采用）-循循环环次次数数n为为2106次次的的容容许许应应力力范范围（围（按表按表4采用采用）对对变变幅幅疲疲劳劳（按按应应力力循循环环内内的的应应力力范范围围随随机机变变化化），若若能能测测出出结结构构在在使使用用寿寿命命期期间间各各种种载载荷荷的的频频率率分分布布、应应力力范范围围水水平平以以及及频频次次分分布布总总和和所所构构成成设设计计应应力力谱谱，则则可可将将其其折折算算为为等等效效常常幅疲劳幅疲劳，并按下式进行计算：，并按下式进行计算：式中：式中：e-变幅疲劳的等效应力范围，变幅疲劳的等效应力范围，e按下式确定：按下式确定：i第第i级应力范围；级应力范围；以以应应力力循
17、循环环次次数数表表示示的的结结构构预预期期使使用寿命；用寿命；ni 预预期期寿寿命命内内应应力力范范围围水水平平达达到到i的应力循环次数。的应力循环次数。（二二）欧欧洲洲钢钢结结构构协协会会（ECCS）的的钢钢结结构构疲疲劳设计规范劳设计规范本本规规范范为为承承受受疲疲劳劳载载荷荷钢钢结结构构的的评评估估、制制造造、检检查查和和维维修修，提提供供了了系系统统的的原原理理和和方方法法，该该文文稿稿受受到到在在相相关关领领域域工工作作的的大大多多数数国国际际组组织织的的审审核核 ， 并并 已已 作作 为为 “第第 三三 本本 欧欧 洲洲 规规 范范”“Eurocode3”钢钢结结构构设设计计一一书
18、书第第九九章章“疲疲劳劳”的基本资料。的基本资料。结构可以承受应力循环次数取决于：公称应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细节类型。具体地讲力范围及特定结构构件的细节类型。具体地讲可以解析地以下式表示可以解析地以下式表示：（用于强度低于（用于强度低于700Mpa的材料）的材料）式式中中：R-本本规规范范中中给给出出的的在在给给定定应应力力循循环环次次数数下，以应力范围定义的疲劳强度（下，以应力范围定义的疲劳强度（如图如图18所示所示）。）。 rm和和rs分别为考虑疲劳强度和载荷的安全系数。分别为考虑疲劳强度和载荷的安全系数。对对疲疲劳劳强强度度R选选取取的的安安全全系
19、系数数rm，应应反反映映由由于于局局部部应应力力集集中中、细细节节尺尺寸寸、冶冶金金效效应应、剩剩余余应应力力、裂裂纹纹形形状状和和焊焊接接工工序序变变化化等等而而造造成成的的给给定定结结构构细细节节的的疲疲劳劳强度不稳定性。强度不稳定性。rs与与构构件件设设计计中中所所选选用用的的载载荷荷大大小小、应应力力循循环环次次数数、设设计计应应力力谱谱的的等等效效常常幅幅化化有有关关。该该二二系系数数rm、rs适用于在设计中根据结构特性取值，但不应小于适用于在设计中根据结构特性取值，但不应小于1。该该图图中中在在双双对对数数坐坐标标上上绘绘出出一一平平行行等等距距直直线线表表示示的的不不同同接接头头
20、类类型型的的疲疲劳劳强强度度，即即把把纵纵坐坐标标刻刻度度分分为为20级级（在在1001000Mpa之之间间），每每一一级大约有级大约有12的疲劳强度区别。的疲劳强度区别。具体可用下式表达：具体可用下式表达：式中的式中的R可由可由表表查出。查出。要说明的是：要说明的是：第第一一：表表中中的的细细节节类类型型号号（如如160,140）是是寿寿命命为为N=2106次次应应力力循循环环时时R的的值值。它它与与表表4-6的的细细节节类类型型号号相相呼呼应应；另另外外把把图图中中的的常常幅幅疲疲劳劳极极限限定定义义为为寿寿命命为为5106次次应应力力循循环环时时的的疲疲劳劳强强度度，当当构构件件全全部部
21、应应力力范范围围低低于于该该常常幅幅疲疲劳强度时。无需进行疲劳计算。劳强度时。无需进行疲劳计算。第第二二：截截止止限限定定义义寿寿命命为为10次次应应力力循循环环时时的的疲疲劳劳强强度度，所所有有低低于于截截止止限限的的应应力力范范围围。可可略去不计。略去不计。第第三三：图图中中各各疲疲劳劳强强度度的的平平行行线线。其其m值值为为。另另外外，图图中中疲疲劳劳强强度度曲曲线线是是以以板板厚厚为为mm的的式式样样实实验验获获得得的的。当当板板厚厚超超过过mm时时。可用下式估算强度。可用下式估算强度。式中式中:Rc-细节校正后的疲劳强度；细节校正后的疲劳强度；R未经校正过的的疲劳强度。未经校正过的的
22、疲劳强度。B-板厚（板厚（mm）。）。第第四四，切切应应力力疲疲劳劳强强度度曲曲线线，通通常常此此种种疲疲劳劳失失效时裂纹扩展是沿角焊缝截面（最大高度。效时裂纹扩展是沿角焊缝截面（最大高度。截面）进行的，截面）进行的，此时此时m取为，取为，截止限仍为截止限仍为108次应力循环，但次应力循环，但没有常幅疲劳限，没有常幅疲劳限，如如图图19所示。所示。表表11为切应力疲劳为切应力疲劳强度强度R的数值的数值设计应力范围设计应力范围e,可采用可采用Miner的累加法则计算的累加法则计算式中：式中：K为应力谱中不同应力范围的总数；为应力谱中不同应力范围的总数；ni对应于应力范围的对应于应力范围的i应力循
23、环次数；应力循环次数；N设设计计寿寿命命期期间间内内所所有有应应力力范范围围下下的的循循环环数数的总和；的总和；i第第i级应力范围值。级应力范围值。注注意意本本规规范范只只适适用用于于屈屈服服点点低低于于700Mpa的的各各种种等等级级的的结结构构钢钢，规规范范不不适适用用于于低低周周-高高应应变变疲疲劳劳；即即任任一一标标称称应应力力范范围围超超过过屈屈服服点点S的的1.5倍倍时，不能采用本疲劳评估程序。时，不能采用本疲劳评估程序。另另外外本本规规范范没没有有考考虑虑由由于于腐腐蚀蚀而而引引起起的的疲疲劳劳强强度度降降低低，服服役役温温度度高高于于150的的结结构构也也不不能能采采用本规范进
24、行疲劳评估。用本规范进行疲劳评估。（三三）国国际际焊焊接接学学会会的的循循环环加加载载焊焊接接钢钢结结构构的的设计规范设计规范(IIW.Doc639-81)该该疲疲劳劳强强度度设设计计规规范范适适用用于于焊焊态态的的屈屈服服点点低低于于700Mpa的的碳碳钢钢、碳碳锰锰钢钢和和细细晶晶粒粒钢钢调调质质钢钢材材的的焊焊接接接接头头。它它不不针针对对某某一一具具体体产产品品，也也不不适适用在严重腐蚀介质下工作的焊接构件。用在严重腐蚀介质下工作的焊接构件。该该规规范范的的出出发发点点是是焊焊接接结结构构的的疲疲劳劳寿寿命命依依赖赖于于结结构构内内各各焊焊接接接接头头的的疲疲劳劳强强度度，而而焊焊接接
25、接接头头的的疲疲劳劳强强度度主主要要决决定定于于施施加加的的应应力力范范围围和和接接头头类类别所决定的应力集中情况。别所决定的应力集中情况。1、疲劳强度评定程序疲劳强度评定程序首首先先根根据据载载荷荷的的历历程程编编制制结结构构工工作作状状态态的的各各个个接接头头的的应应力力谱谱，再再根根据据本本规规范范提提供供的的相相关关曲曲线线，采采用用适适当当的的损损伤伤累累积积理理论论方方法法计计算算在在此此工工作作应应力力谱谱下下各各个个接接头头的的疲疲劳劳寿寿命命，则则可可以以考考虑虑采采用用本本接接头头形式、类别。形式、类别。应应当当指指出出，对对于于应应力力范范围围保保持持不不变变的的常常幅幅
26、载载荷荷，作作为为特特例例其其计计算算程程序序为为把把本本标标准准的的各各有有关关S-N曲曲线所给定的寿命与需求的寿命直接进行比较。线所给定的寿命与需求的寿命直接进行比较。判断接头接纳与否的程序流程为：判断接头接纳与否的程序流程为：12、程序中主要内容程序中主要内容（1）应应力力计计算算:接接头头中中的的应应力力一一般般就就为为法法向向应应力力，在在焊焊缝缝附附近近如如有有开开孔孔、拐拐角角应应力力集集中中因因素素时时，计计算算中中应应予予考考虑虑。这这是是因因为为在在本本规规范范的的接头内型中未考虑这一因素。接头内型中未考虑这一因素。（2）S-N曲曲线线:本本疲疲劳劳设设计计规规范范的的数数
27、据据是是建建立立在在焊焊接接试试样样的的常常幅幅疲疲劳劳试试验验基基础础上上的的，S-N曲曲线一双对数坐标表示，其关系式为线一双对数坐标表示，其关系式为N=c/m各各条条S-N曲曲线线具具有有相相同同的的m值值（斜斜率率），因因而而C值值变变化化，决决定定了了S-N曲曲线线的的位位置置。研研究究表表明明m值值在在3-4之之间间变变化化。本本标标准准给给出出了了m=3和和m=5两两组组曲曲线线（见见图图20）。在在210循环处相交。循环处相交。同同时时认认为为N=B/m的的条条件件为为静静载载条条件件，因因而而毋毋需需进进行行疲劳强度计算，如果应力范围单位为疲劳强度计算，如果应力范围单位为Mpa
28、，则则B=71010对于对于m=3B=41011对于对于m=3.5另另外外，如如果果应应力力范范围围低低于于疲疲劳劳极极限限时时（5108循循环环时时的疲劳强度），亦不需进行疲劳强度计算。的疲劳强度），亦不需进行疲劳强度计算。表表12接接头头细细节节分分类类是是按按2106次次循循环环次次数数的的应应力力范范围围值值表表示示的的，它它同同时时也也标标注注在在图图20的的各各条条S-N曲曲线线上上。换换句句话话说说各各条条S-N曲曲线线上上均均标标明明不不同同接接头头细细节节的的2106次次循循环环次次数数的的应应力力范范围围或或疲疲劳劳强度值（强度值（Mpa），），供设计人员参考。供设计人员参
29、考。另另外外表表12上上的的箭箭头头指指出出需需要要计计算算应应力力的的部部位位。各各接接头头细细节节S-N曲曲线线在在N=2106次次循循环环下下和和相相应应的应力范围条件下按公式计算的的应力范围条件下按公式计算的c值列于值列于表表13中。中。13、积累计算积累计算在在按按有有关关标标准准规规则则，或或根根据据工工作作载载荷荷或或依依赖赖类类似似结结构构的的数数据据编编制制出出载载荷荷谱谱后后，一一般般将将其其循循环环次次数数表表示示，采采用用Palmgren-Miner规规则则进进行行积积累累损伤计算，即损伤计算，即式中：式中：ni载荷谱中应力范围为载荷谱中应力范围为i的循环次数；的循环次数；Ni根根据据相相关关接接头头细细节节得得到到的的常常幅幅应应力力范范围围i的的疲疲劳寿命。劳寿命。
