IWE动载焊接结构的强度及其设计工程师.ppt

2 焊接接头和结构的疲劳强度,IWS-3/3.9-5/18,三、影响焊接接头疲劳强度的因素 影响基本金属疲劳强度的因素（如应力集中、截面尺寸、表面状态、加载情况、介质等因素），同样对焊接结构的疲劳强度有影响。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改变，焊接残余应力等也可能对焊接结构疲劳强度发生影响，下面探讨这些因素的影响。,2 焊接接头和结构的疲劳强度,（一）应力集中的影响 焊接结构中，不同的焊接接头形式和形状，由于在接头部位具有不同的应力集中，对接头的疲劳强度发生程度不同的不利影响。1、对接接头由于形状变化不大，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疲劳强度下降。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化，其应力集中系数比对接接头的高，因此其疲劳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，其疲劳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-3/3.9-5/18,2 焊接接头和结构的疲劳强度,图13为两种钢材十字接头疲劳强度图，实线代表疲劳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，在这种情况下，采用低合金钢对疲劳强度并没有优越性，此外增加焊缝尺寸对提高疲劳强度仅仅在一定范围内才有效。,IWS-3/3.9-5/18,3 焊接接头和结构的疲劳强度,图14为开坡口焊缝的低碳钢十字接头疲劳强度图，其疲劳强度有较大提高。,IWS-3/3.9-5/18,2 焊接接头和结构的疲劳强度,图15为焊缝不承受工作应力的低碳钢丁字和十字接头的疲劳强度。丁字接头和经过机 械加工的接头具有 较高的疲劳强度。,IWS-3/3.9-5/18,2 焊接接头和结构的疲劳强度,3、搭接接头的疲劳强度是很低的,IWS-3/3.9-6/18,2 焊接接头和结构的疲劳强度,仅有侧面焊缝的搭接接头（a），其疲劳强度最低，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其疲劳强度从40%(b)，49%(c),51%(d表面加工)和100%（e表面加工）。采用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，原来疲劳强度较高的对接接头被大大削弱了，只有其一半。,IWS-3/3.9-6/18,2 焊接接头和结构的疲劳强度,（二）近缝区金属性能变化的影响 试验研究表明，在常用的线能量下，低碳钢焊缝、热影响区和基本金属的疲劳强度相当接近，其近缝区金属机械性能变化对对接接头的疲劳强度影响较小。低合金钢的情况比较复杂的，在热循环作用下，热影响区的机械性能变化比低碳钢大，但在有应力集中或无应力集中时都对疲劳强度影响不大，试验还表明，材料的性能对疲劳裂纹扩展速率有一定的影响，但不太大。在实际焊接结构中，如果热影响区的尺寸不大，就不会降低焊接接头的疲劳强度。,IWS-3/3.9-6/18,2 焊接接头和结构的疲劳强度,（三）残余应力的影响 内应力对疲劳强度的影响，从理论上可以看出，当有内应力时，当应力盾环中最大应力max 到达 s时，内应力将因应力全面达到屈服而消除，所以当m达到一定数值时（即m+a=s），内应力对疲劳强度将没有影响，当m小于此值时，则m越小，内应力的影响愈显著。从焊接接头的疲劳强度结果表明焊接应力对疲劳强度的影响与应力盾环特征系数有关，越小（负数），使疲劳强度降低，影响疲劳强度越严重，此外 应力集中越严重处其内应力的影响也更为突出。,IWS-3/3.9-7/18,2 焊接接头和结构的疲劳强度,（四）缺陷的影响焊接缺陷对疲劳强度的影响大小与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。1、缺陷形状：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-3/3.9-7/18,2 焊接接头和结构的疲劳强度,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）的影响比在均匀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疲劳强度的影响比一般缺口敏感材料疲劳强度影响要大，所以高强钢强度高而实际其疲劳强度并没有提高很多。,IWS-3/3.9-7/18,2 焊接接头和结构的疲劳强度,四、提高焊接结构疲劳强度措施（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疲劳强度的最主要的因素，在结构设计中减少应力集中甚至比确定疲劳设计应力还重要。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疲劳强度，一般可以采取下列措施：,IWS-3/3.9-7/18,2 焊接接头和结构的疲劳强度,1、采用合理的构件结构形式，减少应力集中，以提高疲劳强度；2、合理地选择接头形式，尽量采用应力集中系数小的对接接头，焊缝形状过平缓，采用连续焊缝比断续焊缝有利，尽量少采用角焊缝；3、当采用角焊缝时（不可避免）须采取综合措施；机械加工焊缝端部，合理选择角接板形状，保证焊缝根部焊透等；4、用表面机械加工的方法消除焊缝及其附近的各种刻槽，来降低接头应力集中程度。,IWS-3/3.9-7/18,2 焊接接头和结构的疲劳强度,（二）提高焊接结构疲劳强度的工艺措施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疲劳强度；3、调整残余应力场，消除接头的应力集中处的残余压应力均可以提高接头的疲劳强度，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-3/3.9-5/18,2 焊接接头和结构的疲劳强度,IWE-T/3.3-11/29,（2）对接头部位局部处理，即在接头某部位采用加热、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疲劳强度。（三）特殊保护措施一塑性涂层 采用特殊的塑料涂层改善焊接接疲劳性能是一种新技术，其效果较显著，正在进一步研究予以应用。,IWS-3/3.9-7/18,3 动载焊接结构的设计,一、焊接结构疲劳强度设计的一般原则 根据焊接结构的特点和大量实际焊接结构设计的实践经验，得出在焊接结构疲劳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采用长而圆滑的过渡结构以减少刚度的突然变化；2.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；,IWS-3/3.9-7/18,3 动载焊接结构的设计,4.采用带有搭接盖板的搭接接头，尽可能不用偏心搭接；5.使焊缝（特别是焊趾、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免使其叠加；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除或降低上述缺口部位的应力；,IWS-3/3.9-8/18,3 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减少弯矩；8.横向力应作用于剪切中心之上，以减少扭矩；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；避免能扰乱力流的开口，但与力流垂直的加强筋板角部应切除（加强筋板切角）；11.在特别危险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-3/3.9-8/18,3 动载焊接结构的设计,二、焊接钢结构疲劳强度设计计算（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，在钢结构疲劳强度计算中作了一些改动，在原设计规范中，基本金属和连接的疲劳计算采用疲劳许用应力法进行。在GB-17-18的疲劳计算中采用容许应力范围方法；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-3/3.9-8/18,3 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疲劳强度；（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，焊后热处理消除焊接残余应力以及低周高应变疲劳条件等）的结构元件及其连接的疲劳计算。,IWS-3/3.9-8/18,3 动载焊接结构的设计,标准中规定对常幅疲劳（所有应力循环内的应力范围保持常量），应按下式进行计算：式中：-对焊接部位为应力范围 对非焊接部位为折算应力范围-常幅疲劳的容许应力范围（Mpa）应按下式计算：式中：n-应力循环次数；c、-常数，根据表1中的类别按表2计算。,IWS-3/3.9-8/18,4 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疲劳，可作为常幅疲劳按下式计算：式中：af 欠载效应的等效系数（按表3采用）-循环次数n为2106次的容许应力范围（按表4采用）,IWS-3/3.9-5/18,4 动载焊接结构的设计,IWE-T/3.3-13/29,对变幅疲劳（按应力循环内的应力范围随机变化），若能测出结构在使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疲劳，并按下式进行计算：式中：e-变幅疲劳的等效应力范围，,IWS-3/3.9-5/18,4 动载焊接结构的设计,IWE-T/3.3-13/29,e 按下式确定：i 第i级应力范围；以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；ni 预期寿命内应力范围水平达到i的应力循环次数。,IWS-3/3.9-5/18,3 动载焊接结构的设计,IWE-T/3.3-9/29,（二）欧洲钢结构协会（ECCS）的钢结构疲劳设计规范 本规范为承受疲劳载荷钢结构的评估、制造、检查和维修，提供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“疲劳”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细节类型。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-3/3.9-11/18,3 动载焊接结构的设计,式中：R-本规范中给出的在给定应力循环次数下，以应力范围定义的疲劳强度（如图18所示）。rm和 rs 分别为考虑疲劳强度和载荷的安全系数。对疲劳强度R选取的安全系数rm，应反映由于局部应力集中、细节尺寸、冶金效应、剩余应力、裂纹形状和焊接工序变化等而造成的给定结构细节的疲劳强度不稳定性。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适用于在设计中根据结构特性取值，但不应小于1。,IWS-3/3.9-12/18,3 动载焊接结构的设计,IWS-3/3.9-12/18,3 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疲劳强度，即把纵坐标刻度分为20级（在1001000Mpa之间），每一级大约有12的疲劳强度区别。具体可用下式表达：式中的R可由表查出。,IWS-3/3.9-12/18,3 动载焊接结构的设计,IWE-T/3.3-9/29,要说明的是：第一：表中的细节类型号（如160,140）是寿命为N=2106次应力循环时R的值。它与表4-6的细节类型号相呼应；另外把图中的常幅疲劳极限定义为寿命为5106次应力循环时的疲劳强度，当构件全部应力范围低于该常幅疲劳强度时。无需进行疲劳计算。第二：截止限定义寿命为10次应力循环时的疲劳强度，所有低于截止限的应力范围。可略去不计。,IWS-3/3.9-12/18,4 动载焊接结构的设计,IWE-T/3.3-9/29,第三：图中各疲劳强度的平行线。其m值为。另外，图中疲劳强度曲线是以板厚为mm的式样实验获得的。当板厚超过mm时。可用下式估算强度。式中:Rc-细节校正后的疲劳强度；R未经校正过的的疲劳强度。B-板厚（mm）。,IWS-3/3.9-5/18,4 动载焊接结构的设计,IWE-T/3.3-9/29,第四，切应力疲劳强度曲线，通常此种疲劳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，截止限仍为108 次应力循环，但没有常幅疲劳限，如图19所示。表11为切应力疲劳强度R的数值,IWS-3/3.9-5/18,4 动载焊接结构的设计,IWE-T/3.3-9/29,设计应力范围e,可采用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i应力循环次数；N设计寿命期间内所有应力范围下的循环数的总和；i 第i级应力范围值。,IWS-3/3.9-5/18,4 动载焊接结构的设计,IWE-T/3.3-9/29,注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-高应变疲劳；即任一标称应力范围超过屈服点S的1.5倍时，不能采用本疲劳评估程序。另外本规范没有考虑由于腐蚀而引起的疲劳强度降低，服役温度高于150的结构也不能采用本规范进行疲劳评估。,IWS-3/3.9-5/18,4 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.Doc 639-81)该疲劳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，也不适用在严重腐蚀介质下工作的焊接构件。该规范的出发点是焊接结构的疲劳寿命依赖于结构内各焊接接头的疲劳强度，而焊接接头的疲劳强度主要决定于施加的应力范围和接头类别所决定的应力集中情况。,IWS-3/3.9-5/18,4 动载焊接结构的设计,IWE-T/3.3-9/29,1、疲劳强度评定程序 首先根据载荷的历程编制结构工作状态的各个接头的应力谱，再根据本规范提供的相关曲线，采用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疲劳寿命，则可以考虑采用本接头形式、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直接进行比较。判断接头接纳与否的程序流程为：,IWS-3/3.9-5/18,4 动载焊接结构的设计,IWE-T/3.3-9/29,IWS-3/3.9-5/18,4 动载焊接结构的设计,IWE-T/3.3-9/29,1 2、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，在焊缝附近如有开孔、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:本疲劳设计规范的数据是建立在焊接试样的常幅疲劳试验基础上的，S-N曲线一双对数坐标表示，其关系式为 N=c/m,IWS-3/3.9-5/18,4 动载焊接结构的设计,IWE-T/3.3-9/29,各条S-N曲线具有相同的m值（斜率），因而C值变化，决定了S-N曲线的位置。研究表明m值在3-4之间变化。本标准给出了m=3和m=5两组曲线（见图20）。在210循环处相交。同时认为N=B/m的条件为静载条件，因而毋需进行疲劳强度计算，如果应力范围单位为Mpa，则 B=71010 对于m=3 B=41011 对于m=3.5 另外，如果应力范围低于疲劳极限时（5108 循环时的疲劳强度），亦不需进行疲劳强度计算。,IWS-3/3.9-5/18,4 动载焊接结构的设计,IWE-T/3.3-9/29,表12接头细节分类是按2106次循环次数的应力范围值表示的，它同时也标注在图20的各条S-N曲线上。换句话说各条S-N曲线上均标明不同接头细节的2106次循环次数的应力范围或疲劳强度值（Mpa），供设计人员参考。另外表12上的箭头指出需要计算应力的部位。各接头细节S-N曲线在N=2106 次循环下和相应的应力范围条件下按公式计算的c值列于表13中。,IWS-3/3.9-5/18,4 动载焊接结构的设计,IWE-T/3.3-9/29,13、积累计算 在按有关标准规则，或根据工作载荷或依赖类似结构的数据编制出载荷谱后，一般将其循环次数表示，采用Palmgren-Miner规则进行积累损伤计算，即式中：ni 载荷谱中应力范围为i的循环次数；Ni 根据相关接头细节得到的常幅应力范围i的疲劳寿命。,IWS-3/3.9-5/18,