管结构节点疲劳设计

晃管结构节馋点疲劳设峰计微［摘要］钳本文分析涨了管结构衡节点疲劳俱产生的原蜂因，提出咸了管节点枯疲劳设计弟的方法和殖抗疲劳设欺计的一般锦原则李关键词医争管节蚂点回耻疲劳设计闲一、焊接第结构的疲缺劳问巧题树1隶.稻疲劳现象兴疲劳定义逐为由重复宫应力引起除裂纹缓慢挡扩展而造本成结构部赞件的损伤惯。疲劳断辣裂通常是蔑一种低名议义应力破域坏，它和基脆性断裂依有许多相鄙同或相近悬的特点，西例如断裂匠前性变形拔很小，断躁口平齐。魄但其本质增与一般脆由断不同。颤对焊接结欣构而言，筑在反复荷抱载作用下跟，焊接接推头的疲劳允破坏占结估构破坏很壁大部分。危究其原因苗一般有以眨下两点：招（崖1摘）应力集煌中的影响纸焊接接头袄的外型几沿何变化以筛及因焊接残而带来的拦未溶合，粗未焊透、烟气孔、夹司碴、裂纹件等焊接缺闹陷所形成谈的几何不势连续使焊括缝区出现较了明显的牢应力集中宵，尤以焊愿处处突出岗。耍事（命2施）焊接残任余应力的情影响焊接斧热过程使绍焊接接头录周围形成述了自身平骨衡的纵向瓦和横向残讨余应力，喂其值在焊柿缝附近通骑常会达到破材料的屈投服点。残氧余拉应力寸的存在极邮易引发疲裙劳裂纹，丢同时疲劳啦裂纹的扩刻展速率也谣可能因残智余拉应力离而增大。诚在焊接接顾头中，应剥力集中点墨经常和高呼值的残余牌拉应力点犁重合，使易疲劳问题右更加突出死。脆2屈.览疲劳强度捉疲劳破坏株一般分为赔裂纹萌生傅、裂纹稳绕定扩展和园最终失稳思断裂二个僻阶段。焊蒙接接头的守疲劳强度箭主要由以候下两点决冷定：世（衣1戚）裂纹萌南生过程，害它取决于裂焊缝的焊危趾和焊根肆处的局部口缺口应力上状态；尖（际2烈）裂纹扩肯展过程，这它取决于届裂纹（包臭括缺口效葵应在内）问的应力强劳度因子。闷绝大多数表焊接接头元的疲劳裂摸纹产生在伤焊趾处，队其疲劳寿饿命主要由燃裂纹生长适扩展决定弦。显然接晓头的最大筑缺口应力你和应力强震度因子决杀定其疲劳瓣强度。按葵断裂力学梅原理，缺酿口尖端的程应力强度海因子可写窑成拼式中粘，肾y残（耕c熔）功，动y腥（把a茎）为几何渐修正系数究，牧。地σ夹为垂直于倒裂纹的名眼义应力忧，准2归c执为半椭圆数形表面裂总纹长度犯，漏α层为裂纹深秧度匙，译α北/c=e租"组。事实上棵，发生在稠焊缝处的老疲劳裂纹由多数都会东进入焊接剂热影响区冠或母材之啦中，从实更用出发，习只要最大溪缺口应力斥及应力强众度因子与孙构件的基狐本名义应炒力成正比按，便可认浸定它们取筒决于相邻抗母材的名斩义应力而想不取决于茂静载作用想下起决定春性作用的宪焊缝名义黎应力。哗3搅焊接接头果疲劳强度碧分析方法耳对焊接接降头疲劳强聚度而言，钩由于局部隐最大应力首实际上起校着主导作饭用。因此疯焊接接头独的疲劳强鞠度分析方蜜法可故有隐4德个不同的效层次：即滥名义应力棒评定法、胀结构应力巴评定法、形缺口应力观评定法和气断裂安全态性评定法犹。部这烟4冤种方法既肯可相互配榜合使用，忆又可各自菜单独使用冰。眨（害1心）名义应毯力评定方匆法是用材危料力学方雄法来确定剑构件断面楼上的名义卫应力是否但小于疲断械裂时的持夸久名义应嘴力。该方贸法是用得汉十分广泛解的基本方跟法。名义浑应力写耍作浇σ斧N棕。咬(2斜)格结构应力裹评定方法拢要求除名白义应力外邪还应采用洲解析或有插限元法确球定无缺口占效应的结姐构非均匀免应力分布世情况，又洞称几何应葛力法或热担点应力法摸（唇Hot翅spot繁str帝ee世s勤）。热点都应力指最糊大结构应绩力或结构看中控制截荡面的危险猴点应力，委写针作滔σ裹G耳。雨（歇3怎）缺口应竞力评定法句作分析时故除名义应与力和结构棒应力外，绸还应确定翻焊趾和焊垦缝根部的品应力集中酬。在焊接采结构分析若中迄今只帖用于某些滋特殊场合棕。荣（巴5释）焊接接物头疲劳设锯计方法焊携接接头缺绢口等级的圣划分取决惧于接头形茅式、焊缝势类型、加季载情况和侍制造加工美质量以及那缺陷状况多，通常以健疲劳试验圣（而不是储应力分析控）的结果栗为基础威。宜a汁．应力幅崇（应力脉久动量）叉b骂．细节分暑类对不同领的焊接头滚给予特定爆的结构细黄节名称，织该类型既阔考虑了细嚷节的局部勉应力集中室，可接受稳的最大不侵连续性尺腥寸和形状棚，受力方玉向，冶金忌效应，残旗余应力，隐疲劳裂纹泼形状；在葬某些情况修下还考虑庙了焊接工械艺和焊后揪的改善处猴理。对于洞任一给定角的细节类冶型，不同户强度等级范的钢材疲碧劳强度间短的差别易很少，可栽略去不计溪。筑c准．伸S-权N椒曲线在给张定应力幅菊的情况下起，特定细表节类型的舅焊接接头畜疲劳强抛度禁S淹与循环次哄数春N倦的关系可奥用的S欠－检N恨曲线来描恢述乱，街S-贡N再曲线需经黄疲劳试验甲获得。曲蒜线上的每等一特征点团必须尼用益8锄～期1佳2所个试验条杆件完全相丢同的试验诱数据经统白计，并杨有纲97.甲7虏％的保证钩率治。液怖S趁－健N待曲线上的球应力可为说名义应力候（名义应泽力幅），脑也可为结勉构应力（之热点应力柄）连，窄S昼－孙N悉曲线法是埋疲劳设计叔是采用最传多的方法均。对焊接缎接头，常胁幅疲劳下挠的锡S-够N县曲线可写件作槽NS毁"其＝苏C根，一般膀取添3泊～个5鉴，显然不堆同细节类嚷型的焊接僵接头构颤成坟S-博N屑曲线组，冈其言S杯直接采用京应力伯幅毅σ捷。偶d露变幅疲劳难和疲劳积乔伤为了估争价变幅应脑力的作用佩，采岩用祖Mine桐r泪线性积伤魂假设。通库过这个假控设把疲劳选的随机加哀载（变幅嚼疲劳）和慧常幅栋的萄S钉．古N传曲线联系粮起来。线丈型积累损耗伤法认为左，当不同私施加的循仪环比的总裂和淹为昂1旋时，接头铁就会发生榨破坏，写且成帽式中枝，酸n鹅i堆为纤在异σ晕i签下的循环焰次数乏，券N蛋i卫为晌在糊σ雾i羡作用下破裕坏的循环寒次数。茫二、管结浙构节点的健疲劳补现代管结纺构多采用秋主支管直巩接相贯焊乔接的节点耗构造型式鹊。在节点台中，荷载纹由支管直仿接传给主万管。由于顺支管的轴帅向刚度远源远大于主致管的径向进刚度，支适全管的相拼贯线成为旱整个结构薯的薄弱环刃节。该处守不仅会出帝现很高的框应力集中封（应力集闲中系数可授高荷达侧2故0胁）而且又躁存在有焊贵接缺陷和止焊接残余啊拉应力，尊多种不利跌因素相叠取加使管节袄点对交变选荷载的抵唱抗能力较喉低，疲劳咱裂纹往往定起源于高秘应力区的钱初始缺陷葛处，常常出在益"穗热嚼点律"荐附近由表朴面裂纹扩润展并穿透漠管壁，逐劣步扩展而穷使节点破茫坏，导致辅整体结构计承载力的匪丧失。近酿年来，随晴着管结构莲在海洋工倡程中海上头平台的大搞量使用，及其节点静助力强度和异疲劳寿命拜已经成为樱管结构设萝计中的一务个重要课陷题。合理禾的节点构扇造及其设暗计方法引腹起了以美戴英为中心粘的欧美各吸国及日本灾的关注，吵共潜有借4恶0遥余个试验透室进行了龙管节点疲颤劳试验的街研究。我俩国也问于毯198趴3赶年成立了电海上平台缸管节点研保究委员会维》肆（量TJCO辛S围）就管节哄点应力分扑析、承载患能力、疲袄劳设计方饶法及疲劳抓试验等方泛面开展了犹有效的工阶作。中国还船级社迫于店199凯2宴年正式颁记布哭了倘"想海上固定气平台八级界与建造规庸范弦"蛋对海上平毯台管结构抛节点的静哨力与疲劳键设计有了华明确的规伪定。这对闭于桥梁管磨结构的设送计也有极职好的参考租价值胸。领关1胖管节点的虹应力加管节点的盼应力分布姻是影响疲裳劳寿命的赛重要因素俱，它是进检行疲劳设危计的基础德。酒(容1慧）名义应道力与冲剪拍应力管节额点的应力鹊分析以总半体结构分赏析为基础廉，按通常斗结构力学覆方法确定若杆件内力婶，因此而就求得的杯刑件截面应交力称为名躁义应力记们作浑σ般n续。多数情近况下，名耕义应力中械轴向应力呼最大，弯挖曲应力次烈之，扭转前应力极小陡。一般节晨点中卵，顾2/找3嗽以上的应鞭力是支管改轴力所引伍起，因而闻可以认为敬支管仅受帆轴向力。乱支管向主钟管力的传甚递可假定右由均匀分杂布的弦管哄剪力所承酸担，称为吸冲剪应挪力选V抵p慰：塔式中庆，损θ涂为支管与吨主管的夹赢角谣，惜F千a昂和序F矿b亚分别表示伪名义轴向赌应力和名球义弯曲应镜力。冲剪匪应力作用展示意见抽图允1阿。完(2魂)虚．几何应慧力与局部候应力弦管桐是支持支匹管的弹性畏基础，在抄相贯线上向，沿支管州轴向刚度还愈大，反垦作用力愈赵大。每一坡点上的反烘作用力可猎分解成弦陆管环向力西和径向力米，前者主友要引起中世面应力，锄后者则造蚊成弦管弯锻曲应力，巩弦管在交踪接线表面飞上的应力递是由这两供种应力叠村加而成，睁称为几何壤应力。管傻节点最大越几何应力研通常在弦衫支管交线朋处于弦管盲一边，发教生的最大凳几何应力填即为热点牧应力忍用奔σ昆G闹表示。如微果采用相威应的几何剧应力集中袍系唇数帅K慎G汪，则热点尺应奉力扛σ范G习=K妥G醒σ其N档，再考虑是焊趾几何烂型状的影顾响，引入鞋局部应力苹集中系确数抽K府W廉，其局部违应禾力青σ芒L寺=K得w兵σ尘G劫，局部应鞭力凝σ瞎L眯还可以名杨义应唇力愤σ处N吹表示，记旋为棵σ穷L新＝比K合G复K妹W正。热点应秩力示意见穿图孕2管（桂3家）省节点搁疲劳设计刘的应力选爱择由于管啊节点的应记力组成和僚分布十分双复杂，采裙用忘S哑－原N捏曲线进行蓬疲劳设计番时，首先岩，涉及其赚设计应复力腿S旺的选择，倘对此，根晚据疲劳试努验的情况暖，世界各蛋国比较一喷致地认为找选用热点旋应抱力塑σ傻G敬和相应的妇应力集中糠系肉数耍K殖G击比较合理侧。求（殖4树）省节点底的应力分动析管节点晌应力分析明可采用有俩限元法，震试验分析始法和几何朝应力参数译法（无量浮细分析法慎）。有限亚元分析时捆，利用荷等壳单元可还直接求得遵结构应力菊口雕C厕。采用试第验分析时帝需利用节步点模型试单验实测几轧何应力。蕉由于管节去点的种类策繁多，不呜可能对每尖一节点在抖多种荷载岁作用下均量采用前两哗种方法，论因而可采疯用在有一扁定参数某遍础巷L握的无量勇纲南l疏析法来确死定几何应完力集中系摆数比的表帆连式内的巴各项参数熟，用以推符求几何应敲力泛σ美G匹＝肠K涉G榴σ读N括。锋（肠5独）管节点辞的疲劳裂爹纹由于管奏节点的几撕何形状及蛋应力状态状均很复杂狸，管节点葡的疲劳裂暴纹一般出滥现在具有辩高应力集俊中的主侦管热点处穗的焊趾附名近。首先乒出现～系扒列间距很疮接近的微随裂纹，当丧其增长到抱几毫米后匠，这些裂揭纹连接在涌一起形成甩以热点为娃中心的单隐一裂纹。脾一般表面君裂纹扩展俘到兽6线0亩％周长时裹，节点刚挺度仍然无井显著变化启，直到裂昂纹贯穿主侄管壁厚，嫁承载力丧废失。自三、省节枕点的疲劳棍设计方泼法颜渔1菌几种实用蚁的称S麦－见－莫N课曲线睁S-鼓N胆曲线是管容节点疲劳只分析的密常准和疲劳园累积损伤耽计算的基界础。对管径结构目前违国际上通挤常使用的奸有美国石抢油学会盏（干AP森I冰）美国焊第接学会撤（翁AW叹S铸），国际劝焊接学会坊（吧II烘W旬）欧洲钢不结构学会镇（手EC陪h研），挪威肚船级社紫（腊DN赠V始）宋的轰S滩－恐N呜曲线当。粥AP皱I扮推荐用热饲点应力，概同时要求剑接冲剪应捐力验算弦围管的疲劳崖强度。对仇热点应力漫的确定可俩采用匕达绣三种方法哈中任一种仪。凭S风－因N伟曲线一般象考虑了管养节点的形计式旦（房TY秤K细型）、焊食接状况（昌熔透型式隶，焊接形姑状）、应糠力种类（蚕名义应档力响σ语N纽。）。冲航剪应票力拖V闯p据，热点应骆力猎σ室G据（炎σ我G咱=K棚G甜σ斯N酱）使用时当必须根据温这些因素拿来适当选兔取趣。谢S-白N灯曲线也可基用数学表佣公式来描锋述，挠如桐AP航I滔的曲线遮族膝N跪＝禾2,00猾0,00仆0尿（绝σ岂R挤／五σ伶ref)晨-m借。曲异线倚X克和零D损"讽，咳E宝'勉分别适宅用犁T阁，岩Y咬，吹K银型管节点冲采用热点顽应力和名增义应力来训进行疲劳睛设计；曲验线炊K凳适用旅于鸦K板型拔、仇T滔型夺和柔Y笔型节点的诱冲剪应力杂疲劳设计狠。要求节亲点焊缝为值全焊透，岂外型光滑都过渡到母乞材。不难铺看出旁，冷X互与广曲线点差别在于胖分别采用准热点应力错。和名义设应力。来妻设计价，奥V坦相当自于物N过＝惨2000骨00鸽0越时适S坟N朱曲线上的临应力淡幅镰S龄，前者扛为协100辟MP阁a象，后者趋为限40M水P凶a测，梢2臣．论5汇倍之差即剩为应力集住中系火数峰K附G铁。衫而牢E旁'妹因采用部至分溶透焊置缝，应力雨集中严重奏，窝其黄σ筑N脸较眠之雪D粘'萝曲线更低标，见闹表塔1扩。稻我国海上斧固定平台蔬八级建造姥规份绑中全S慧－魄N挥曲线也采咱用了数学涌表达式的面型式。对已比国外几可种不同规捐范秃的嘴S粉－边N脏曲线见暴图聪3绸（牙2厌）壁厚修既正公式捏S-耗N柴曲线一般协是根紧据洗t子＝懂15m右m怀时的试验胳结果统计纽而成，因片结构疲劳孟强度有随日壁厚增加村而下降的哄趋势，若跨结构壁厚帝超过规定兆的范围则懂需要修正捧。物愿四、焊接子接头执疲露劳设计一笔般原则藏对焊接接睛头而言，曾良好的构混造细节和螺有效的焊状接后处理右措施将提骨高接头疲逝劳寿命，坊是抵抗结峰构疲劳破投坏重要手页段。在设演计中～般下应遵循以版下原则：惭（旗l壮）构件间症的连接尽德量避免刚谣度突然变遗化。法（限2谷