管结构节点疲劳设计

管结构节点疲劳劳设计

［摘要］本文分分析了管结结构节点疲疲劳产生的的原因，提提出了管节节点疲劳设设计的方法法和抗疲劳劳设计的一一般原则

关关键词管节点疲劳设计计

一、焊接结构的的疲劳问题题

1.疲劳现象象

疲劳定义义为由重复复应力引起起裂纹缓慢慢扩展而造造成结构部部件的损伤伤。疲劳断断裂通常是是一种低名名义应力破破坏，它和和脆性断裂裂有许多相相同或相近近的特点，例例如断裂前前性变形很很小，断口口平齐。但但其本质与与一般脆断断不同。对对焊接结构构而言，在在反复荷载载作用下，焊焊接接头的的疲劳破坏坏占结构破破坏很大部部分。究其其原因一般般有以下两两点：

（1）应力集集中的影响响

焊接接头头的外型几几何变化以以及因焊接接而带来的的未溶合，未未焊透、气气孔、夹碴碴、裂纹等等焊接缺陷陷所形成的的几何不连连续使焊缝缝区出现了了明显的应应力集中，尤尤以焊处处处突出。

（2）焊接残残余应力的的影响

焊接接热过程使使焊接接头头周围形成成了自身平平衡的纵向向和横向残残余应力，其其值在焊缝缝附近通常常会达到材材料的屈服服点。残余余拉应力的的存在极易易引发疲劳劳裂纹，同同时疲劳裂裂纹的扩展展速率也可可能因残余余拉应力而而增大。在在焊接接头头中，应力力集中点经经常和高值值的残余拉拉应力点重重合，使疲疲劳问题更更加突出。

2.疲劳强度

疲劳破坏一般分为裂纹萌生、裂纹稳定扩展和最终失稳断裂二个阶段。焊接接头的疲劳强度主要由以下两点决定：

（1）裂纹萌生过程，它取决于焊缝的焊趾和焊根处的局部缺口应力状态；

（2）裂纹扩展过程，它取决于裂纹（包括缺口效应在内）的应力强度因子。

绝大多数焊接接头的疲劳裂纹产生在焊趾处，其疲劳寿命主要由裂纹生长扩展决定。显然接头的最大缺口应力和应力强度因子决定其疲劳强度。按断裂力学原理，缺口尖端的应力强度因子可写成

式中，y（c），y（a）为几何何修正系数数，。σ为垂直于于裂纹的名名义应力，2c为半椭圆形表面裂纹长度，α为裂纹深度，α/c=e"。事实上，发生在焊缝处的疲劳裂纹多数都会进入焊接热影响区或母材之中，从实用出发，只要最大缺口应力及应力强度因子与构件的基本名义应力成正比，便可认定它们取决于相邻母材的名义应力而不取决于静载作用下起决定性作用的焊缝名义应力。

3焊接接头疲劳强度分析方法

对焊接接头疲劳强度而言，由于局部最大应力实际上起着主导作用。因此焊接接头的疲劳强度分析方法可有4个不同的层次：即名义应力评定法、结构应力评定法、缺口应力评定法和断裂安全性评定法。这4种方法既可相互配合使用，又可各自单独使用。

（1）名义应力评定方法是用材料力学方法来确定构件断面上的名义应力是否小于疲断裂时的持久名义应力。该方法是用得十分广泛的基本方法。名义应力写作σN。

(2)结构应力评定方法要求除名义应力外还应采用解析或有限元法确定无缺口效应的结构非均匀应力分布情况，又称几何应力法或热点应力法（Hotspotstrees）。热点应力指最大结构应力或结构中控制截面的危险点应力，写作σG。

（3）缺口应力评定法作分析时除名义应力和结构应力外，还应确定焊趾和焊缝根部的应力集中。在焊接结构分析中迄今只用于某些特殊场合。

（5）焊接接头疲劳劳设计方法法

焊接接头头缺口等级级的划分取取决于接头头形式、焊焊缝类型、加加载情况和和制造加工工质量以及及缺陷状况况，通常以以疲劳试验验（而不是是应力分析析）的结果果为基础。

a．应力幅（应力脉动量）

b．细节分类

对不同的焊接头给予特定的结构细节名称，该类型既考虑了细节的局部应力集中，可接受的最大不连续性尺寸和形状，受力方向，冶金效应，残余应力，疲劳裂纹形状；在某些情况下还考虑了焊接工艺和焊后的改善处理。对于任一给定的细节类型，不同强度等级的钢材疲劳强度间的差别很少，可略去不计。

c．S-N曲线

在给定应力幅的情况下，特定细节类型的焊接接头疲劳强度S与循环次数N的关系可用S－N曲线来描述，S-N曲线需经疲劳试验获得。曲线上的每一特征点必须用8～12个试验条件完全相同的试验数据经统计，并有97.7％的保证率。S－N曲线上的应力可为名义应力（名义应力幅），也可为结构应力（热点应力），S－N曲线法是疲劳设计是采用最多的方法。

对焊接接头，常幅疲劳下的S-N曲线可写作NS"＝C，一般取3～5，显然不同细节类型的焊接接头构成S-N曲线组，其S直接采用应力幅σ。

d变幅疲劳和疲劳积伤

为了估价变幅应力的作用，采用Miner线性积伤假设。通过这个假设把疲劳的随机加载（变幅疲劳）和常幅的S．N曲线联系起来。线型积累损伤法认为，当不同施加的循环比的总和为1时，接头就会发生破坏，写成

式中，ni为在在σi下的循环环次数，Ni为在σi作用下破破坏的循环环次数。

二、管结构节点点的疲劳

现现代管结构构多采用主主支管直接接相贯焊接接的节点构构造型式。在在节点中，荷荷载由支管管直接传给给主管。由由于支管的的轴向刚度度远远大于于主管的径径向刚度，支支全管的相相贯线成为为整个结构构的薄弱环环节。该处处不仅会出出现很高的的应力集中中（应力集集中系数可可高达20）而且又又存在有焊焊接缺陷和和焊接残余余拉应力，多多种不利因因素相叠加加使管节点点对交变荷荷载的抵抗抗能力较低低，疲劳裂裂纹往往起起源于高应应力区的初初始缺陷处处，常常在在"热点"附近由表表面裂纹扩扩展并穿透透管壁，逐逐步扩展而而使节点破破坏，导致致整体结构构承载力的的丧失。近近年来，随随着管结构构在海洋工工程中海上上平台的大大量使用，其其节点静力力强度和疲疲劳寿命已已经成为管管结构设计计中的一个个重要课题题。合理的的节点构造造及其设计计方法引起起了以美英英为中心的的欧美各国国及日本的的关注，共共有40余个试验验室进行了了管节点疲疲劳试验的的研究。我我国也于1983年成立了了海上平台台管节点研研究委员会会》（TJCOOS）就管节节点应力分分析、承载载能力、疲疲劳设计方方法及疲劳劳试验等方方面开展了了有效的工工作。中国国船级社于于1992年正式颁颁布了"海上固定定平台八级级与建造规规范"对海上平平台管结构构节点的静静力与疲劳劳设计有了了明确的规规定。这对对于桥梁管管结构的设设计也有极极好的参考考价值。

1管节点的的应力

管节节点的应力力分布是影影响疲劳寿寿命的重要要因素，它它是进行疲疲劳设计的的基础。

((1）名义应应力与冲剪剪应力

管节节点的应力力分析以总总体结构分分析为基础础，按通常常结构力学学方法确定定杆件内力力，因此而而求得的杯杯件截面应应力称为名名义应力记记作σn。多数情情况下，名名义应力中中轴向应力力最大，弯弯曲应力次次之，扭转转应力极小小。一般节节点中，2/3以上的应应力是支管管轴力所引引起，因而而可以认为为支管仅受受轴向力。支支管向主管管力的传递递可假定由由均匀分布布的弦管剪剪力所承担担，称为冲冲剪应力Vp：

式中，θ为支管与与主管的夹夹角，Fa和Fb分别表示示名义轴向向应力和名名义弯曲应应力。冲剪剪应力作用用示意见图图1。

(2)．几何应应力与局部部应力

弦管管是支持支支管的弹性性基础，在在相贯线上上，沿支管管轴向刚度度愈大，反反作用力愈愈大。每一一点上的反反作用力可可分解成弦弦管环向力力和径向力力，前者主主要引起中中面应力，后后者则造成成弦管弯曲曲应力，弦弦管在交接接线表面上上的应力是是由这两种种应力叠加加而成，称称为几何应应力。管节节点最大几几何应力通通常在弦支支管交线处处于弦管一一边，发生生的最大几几何应力即即为热点应应力用σG表示。如如果采用相相应的几何何应力集中中系数KG，则热点点应力σG=KGσN，再考虑虑焊趾几何何型状的影影响，引入入局部应力力集中系数数KW，其局部部应力σL=KwσG，局部应应力σL还可以名名义应力σN表示，记记为σL＝KGKW。热点应应力示意见见图2

（3）省节点疲劳设设计的应力力选择

由于于管节点的的应力组成成和分布十十分复杂，采采用S－N曲线进行行疲劳设计计时，首先先，涉及其其设计应力力S的选择，对对此，根据据疲劳试验验的情况，世世界各国比比较一致地地认为选用用热点应力力σG和相应的的应力集中中系数KG比较合理理。

（4）省节点点的应力分分析

管节点点应力分析析可采用有有限元法，试试验分析法法和几何应应力参数法法（无量细细分析法）。有有限元分析析时，利用用荷壳单元元可直接求求得结构应应力口C。采用试试验分析时时需利用节节点模型试试验实测几几何应力。由由于管节点点的种类繁繁多，不可可能对每一一节点在多多种荷载作作用下均采采用前两种种方法，因因而可采用用在有一定定参数某础础L的无量纲l析法来确确定几何应应力集中系系数比的表表连式内的的各项参数数，用以推推求几何应应力σG＝KGσN。

（5）管节点点的疲劳裂裂纹

由于管管节点的几几何形状及及应力状态态均很复杂杂，管节点点的疲劳裂裂纹一般出出现在具有有高应力集集中的主管管热点处的的焊趾附近近。首先出出现～系列列间距很接接近的微裂裂纹，当其其增长到几几毫米后，这这些裂纹连连接在一起起形成以热热点为中心心的单一裂裂纹。一般般表面裂纹纹扩展到60％周长时时，节点刚刚度仍然无无显著变化化，直到裂裂纹贯穿主主管壁厚，承承载力丧失失。

三、省节点的疲疲劳设计方方法

1几种实用用的S－－N曲线

S-N曲线是管管节点疲劳劳分析的密密准和疲劳劳累积损伤伤计算的基基础。对管管结构目前前国际上通通常使用的的有美国石石油学会（API）美国焊焊接学会（AWS），国际际焊接学会会（IIW）欧洲钢钢结构学会会（ECh），挪威威船级社（DNV）的S－N曲线。API推荐用热热点应力，同同时要求接接冲剪应力力验算弦管管的疲劳强强度。对热热点应力的的确定可采采用匕达三三种方法中中任一种。S－N曲线一般般考虑了管管节点的形形式（TYK型）、焊焊接状况（熔熔透型式，焊焊接形状）、应应力种类（名名义应力σN。）。冲冲剪应力Vp，热点应应力σG（σG=KGσN）使用时时必须根据据这些因素素来适当选选取。S-N曲线也可可用数学表表公式来描描述，如API的曲线族N＝2,0000,0000（σR／σref))-m。曲曲线X和D"，E'分别适用T，Y，K型管节点点采用热点点应力和名名义应力来来进行疲劳劳设计；曲曲线K适用于K型、T型和Y型节点的的冲剪应力力疲劳设计计。要求节节点焊缝为为全焊透，外外型光滑过过渡到母材材。

不难看看出，X与广曲线线差别在于于分别采用用热点应力力。和名义义应力。来来设计，V相当于N＝20000000时SN曲线上的的应力幅S，前者为1000MPa，后者为40MMPa，2．5倍之差即即为应力集集中系数KG。而E'因采用部部分溶透焊焊缝，应力力集中严重重，其σN较之D'曲线更低低，见表1。

我国海上固定平平台八级建建造规份中中S－N曲线也采采用了数学学表达式的的型式。对对比国外几几种不同规规范的S－N曲线见图3

（2）壁厚修正公式式

S-N曲线一般般是根据t＝15mmm时的试验验结果统计计而成，因因结构疲劳劳强度有随随壁厚增加加

而下降的的趋势，若若结构壁厚厚超过规定定的范围则则需要修正正。

四、焊接接头执执疲劳设计计一般原则则

对焊接接接头而言，良良好的构造造细节和有有效的焊接接后处理措措施将提高高接头疲劳劳寿命，是是抵抗结构构疲劳破坏坏重要手段段。在设计计中～般应应遵循以下下原则：

（l）构件间间的连接尽尽量避