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钢桥疲劳问题分析

FatigueProblemsinSteelBridgeStructuresLOGO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01应力集中的影响02焊接残余应力的影响03焊接缺陷的影响04焊接接头组织性能对疲劳强度的影响05尺寸的影响06荷载的影响07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σA（应力幅）与缺口试件疲劳强度σAK（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γ来描述焊接接头的疲劳强度特性，即：01式中，σP为母材的疲劳强度；σPW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γ与疲劳缺口系数Kf成反比，即：02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03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。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。小结对接接头的不等厚和错位，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。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。0102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