IWE动载焊接结构的强度及其设计(工程师-2)解析

2焊接接头和构造的疲乏强度IWS-3/3.9-5/18三、影响焊接接头疲乏强度的因素影响根本金属疲乏强度的因素〔如应力集中、截面尺寸、外表状态、加载状况、介质等因素〕，同样对焊接构造的疲乏强度有影响。除此之外焊接构造本身的一些特点，例如焊接构造的应力集中，接头部位近缝区性能的转变，焊接剩余应力等也可能对焊接构造疲乏强度发生影响，下面探讨这些因素的影响。

2焊接接头和构造的疲乏强度〔一〕应力集中的影响焊接构造中，不同的焊接接头形式和外形，由于在接头部位具有不同的应力集中，对接头的疲乏强度发生程度不同的不利影响。1、对接接头由于外形变化不大，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乏强度下降。2、丁字和十字接头，由于在焊缝向根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，因此其疲乏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，其疲乏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-3/3.9-5/182焊接接头和构造的疲乏强度图13为两种钢材十字接头疲乏强度图，实线代表疲乏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，在这种状况下，承受低合金钢对疲乏强度并没有优越性，此外增加焊缝尺寸对提高疲乏强度仅仅在确定范围内才有效。IWS-3/3.9-5/183焊接接头和构造的疲乏强度图14为开坡口焊缝的低碳钢十字接头疲乏强度图，其疲乏强度有较大提高。

IWS-3/3.9-5/182焊接接头和构造的疲乏强度图15为焊缝不承受工作应力的低碳钢丁字和十字接头的疲乏强度。丁字接头和经过机械加工的接头具有较高的疲乏强度。

IWS-3/3.9-5/182焊接接头和构造的疲乏强度3、搭接接头的疲乏强度是很低的

IWS-3/3.9-6/182焊接接头和构造的疲乏强度仅有侧面焊缝的搭接接头〔a〕，其疲乏强度最低，只到达根本金属的34%。正面焊缝的搭接接头的焊脚从1:1、1:2、1:3.8其疲乏强度从40%(b)，49%(c),51%(d外表加工)和100%〔e外表加工〕。承受所谓加强盖板的对接接头是极不合理的。由图16(f)试验结果说明，原来疲乏强度较高的对接接头被大大减弱了，只有其一半。

IWS-3/3.9-6/182焊接接头和构造的疲乏强度〔二〕近缝区金属性能变化的影响试验争论说明，在常用的线能量下，低碳钢焊缝、热影响区和根本金属的疲乏强度相当接近，其近缝区金属机械性能变化对对接接头的疲乏强度影响较小。低合金钢的状况比较简洁的，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乏强度影响不大，试验还说明，材料的性能对疲乏裂纹扩展速率有确定的影响，但不太大。在实际焊接构造中，假设热影响区的尺寸不大，就不会降低焊接接头的疲乏强度。IWS-3/3.9-6/182焊接接头和构造的疲乏强度〔三〕剩余应力的影响内应力对疲乏强度的影响，从理论上可以看出，当有内应力时，当应力盾环中最大应力σmax到达σs时，内应力将因应力全面到达屈服而消退，所以当σm到达确定数值时〔即σm+σa=σs〕，内应力对疲乏强度将没有影响，当σm小于此值时，则σm越小，内应力的影响愈显著。从焊接接头的疲乏强度结果说明焊接应力对疲乏强度的影响与应力盾环特征系数γ有关，γ越小〔负数〕，使疲乏强度降低，影响疲乏强度越严峻，此外应力集中越严峻处其内应力的影响也更为突出。IWS-3/3.9-7/182焊接接头和构造的疲乏强度〔四〕缺陷的影响焊接缺陷对疲乏强度的影响大小与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。1、缺陷外形：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：外表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-3/3.9-7/182焊接接头和构造的疲乏强度4、位于剩余拉应力区内的缺陷的影响比在剩余压应力区的大。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乏强度的影响比一般缺口敏感材料疲乏强度影响要大，所以高强钢强度高而实际其疲乏强度并没有提高很多。

IWS-3/3.9-7/182焊接接头和构造的疲乏强度四、提高焊接构造疲乏强度措施〔一〕降低构件中的应力集中系数构造中的应力集中是降低焊接构造疲乏强度的最主要的因素，在构造设计中削减应力集中甚至比确定疲乏设计应力还重要。只有当焊接接头和构造设计合理，焊接工艺完善，焊缝金属质量良好时，才能保证焊接接头和构造具有较高的疲乏强度，一般可以实行以下措施：IWS-3/3.9-7/182焊接接头和构造的疲乏强度1、承受合理的构件构造形式，削减应力集中，以提高疲乏强度；2、合理地选择接头形式，尽量承受应力集中系数小的对接接头，焊缝外形过平缓，承受连续焊缝比断续焊缝有利，尽量少承受角焊缝；3、当承受角焊缝时〔不行避开〕须实行综合措施；机械加工焊缝端部，合理选择角接板外形，保证焊缝根部焊透等；4、用外表机械加工的方法消退焊缝及其四周的各种刻槽，来降低接头应力集中程度。IWS-3/3.9-7/182焊接接头和构造的疲乏强度〔二〕提高焊接构造疲乏强度的工艺措施1、在工艺上应正确选择焊接标准，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乏强度；3、调整剩余应力场，消退接头的应力集中处的剩余压应力均可以提高接头的疲乏强度，其方法可以分为两类：〔1〕构造和元件的整体处理，包括整体退火或超载予拉伸法；IWS-3/3.9-5/182焊接接头和构造的疲乏强度IWE-T/3.3-11/29〔2〕对接头部位局部处理，即在接头某部位承受加热、辗压、局部爆炸等方法，使接头应力集中处产生剩余压应力。4、改善材料的机械性能外表强化处理，用小轮挤压或锺轻打焊缝外表及过渡区，或用小钢丸喷射焊缝区都可提高接头的疲乏强度。〔三〕特殊疼惜措施一塑性涂层承受特殊的塑料涂层改善焊接接疲乏性能是一种新技术，其效果较显著，正在进一步争论予以应用。IWS-3/3.9-7/183动载焊接构造的设计一、焊接构造疲乏强度设计的一般原则依据焊接构造的特点和大量实际焊接构造设计的实践阅历，得出在焊接构造疲乏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承受长而圆滑的过渡构造以削减刚度的突然变化；2.优先选用对接焊缝，尽可能少用角焊缝；3.承受角焊缝时最好用双面角焊缝，避开使用单面焊缝；IWS-3/3.9-7/183动载焊接构造的设计4.承受带有搭接盖板的搭接接头，尽可能不用偏心搭接；5.使焊缝〔特殊是焊趾、焊缝根部和焊缝端部〕位于低应力区〔例如弯曲时中性带、承受小弯矩的局部区域、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开使其叠加；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退或降低上述缺口部位的应力；IWS-3/3.9-8/183动载焊接构造的设计7.承受横向弯曲的构件应缩短支承间距以削减弯矩；8.横向力应作用于剪切中心之上，以削减扭矩；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；避开能扰乱力流的开口，但与力流垂直的加强筋板角部应切除〔加强筋板切角〕；11.在特殊危急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-3/3.9-8/183动载焊接构造的设计二、焊接钢构造疲乏强度设计计算〔一〕我国钢构造的标准我国现行钢构造的标准GB-17-88与原设计标准TL17-74相比，在钢构造疲乏强度计算中作了一些改动，在原设计标准中，根本金属和连接的疲乏计算承受疲乏许用应力法进展。在GB-17-18的疲乏计算中承受容许应力范围方法；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-3/3.9-8/183动载焊接构造的设计同时还规定：〔1〕在应力循环中不消逝拉应力的部位可不计算疲乏强度；〔2〕本计算不适用于特殊条件〔如构件外表温度高于150℃，构件处于海水腐蚀环境，焊后热处理消退焊接剩余应力以及低周高应变疲乏条件等〕的构造元件及其连接的疲乏计算。IWS-3/3.9-8/183动载焊接构造的设计标准中规定对常幅疲乏〔全部应力循环内的应力范围保持常量〕，应按下式进展计算：△σ≤[△σ]式中：△σ--对焊接部位为应力范围对非焊接部位为折算应力范围[△σ]--常幅疲乏的容许应力范围〔Mpa〕应按下式计算：式中：n--应力循环次数；c、β-常数，依据表1中的类别按表2计算。IWS-3/3.9-8/184动载焊接构造的设计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乏，可作为常幅疲乏按下式计算：

式中：af—欠载效应的等效系数〔按表3承受〕---循环次数n为2×106次的容许应力范围〔按表4承受〕IWS-3/3.9-5/184动载焊接构造的设计IWE-T/3.3-13/29

对变幅疲乏〔按应力循环内的应力范围随机变化〕，假设能测出构造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乏，并按下式进展计算：式中：△σe---变幅疲乏的等效应力范围，IWS-3/3.9-5/184动载焊接构造的设计IWE-T/3.3-13/29△σe按下式确定：[Δσ]i—第i级应力范围；—以应力循环次数表示的构造预期使用寿命；ni—预期寿命内应力范围水平到达[Δσ]i的应力循环次数。IWS-3/3.9-5/183动载焊接构造的设计IWE-T/3.3-9/29〔二〕欧洲钢构造协会〔ECCS〕的钢构造疲乏设计标准本标准为承受疲乏载荷钢构造的评估、制造、检查和修理，供给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“第三本欧洲标准”“Eurocode3”钢构造设计一书第九章“疲乏”的根本资料。构造可以承受应力循环次数取决于：公称应力范围及特定构造构件的细节类型。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-3/3.9-11/183动载焊接构造的设计

式中：ΔσR---本标准中给出的在给定应力循环次数下，以应力范围定义的疲乏强度〔如图18所示〕。rm和rs分别为考虑疲乏强度和载荷的安全系数。对疲乏强度ΔσR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、裂纹外形和焊接工序变化等而造成的给定构造细节的疲乏强度不稳定性。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适用于在设计中依据构造特性取值，但不应小于1。IWS-3/3.9-12/183动载焊接构造的设计IWS-3/3.9-12/183动载焊接构造的设计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乏强度，即把纵坐标刻度分为20级〔在100－1000Mpa之间〕，每一级大约有12％的疲乏强度区分。具体可用下式表达：

式中的ΔσR可由表５查出。IWS-3/3.9-12/183动载焊接构造的设计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=2×106次应力循环时ΔσR的值。它与表4-6的细节类型号相照顾；另外把图１８中的常幅疲乏极限定义为寿命为5×106次应力循环时的疲乏强度，当构件全部应力范围低于该常幅疲乏强度时。无需进展疲乏计算。其次：截止限定义寿命为10８次应力循环时的疲乏强度，全部低于截止限的应力范围。可略去不计。

IWS-3/3.9-12/184动载焊接构造的设计IWE-T/3.3-9/29第三：图中各疲乏强度的平行线。其m值为３。另外，图中疲乏强度曲线是以板厚为１５mm的式样试验获得的。当板厚超过２５mm时。可用下式估算强度。

式中:ΔσRc---细节校正后的疲乏强度；ΔσR――未经校正过的的疲乏强度。B--板厚〔mm〕。IWS-3/3.9-5/184动载焊接构造的设计IWE-T/3.3-9/29第四，切应力疲乏强度曲线，通常此种疲乏失效时裂纹扩展是沿角焊缝截面〔最大高度。截面〕进展的，此时m取为５，截止限仍为108次应力循环，但没有常幅疲乏限，如图19所示。表11为切应力疲乏强度ΔτR的数值IWS-3/3.9-5/184动载焊接构造的设计IWE-T/3.3-9/29设计应力范围Δσe,可承受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Δσi应力循环次数；N—设计寿命期间内全部应力范围下的循环数的总和；Δσi—第i级应力范围值。IWS-3/3.9-5/184动载焊接构造的设计IWE-T/3.3-9/29留意本标准只适用于屈服点低于700Mpa的各种等级的构造钢，标准不适用于低周-高应变疲乏；即任一标称应力范围超过屈服点σS的1.5倍时，不能承受本疲乏评估程序。另外本标准没有考虑由于腐蚀而引起的疲乏强度降低，服役温度高于150℃的构造也不能承受本标准进展疲乏评估。IWS-3/3.9-5/184动载焊接构造的设计IWE-T/3.3-9/29〔三〕国际焊接学会的循环加载焊接钢构造的设计标准(IIW.Doc639-81)该疲乏强度设计标准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，也不适用在严峻腐蚀介质下工作的焊接构件。该标准的动身点是焊接构造的疲乏寿命依靠于构造内各焊接接头的疲乏强度，而焊接接头的疲乏强度主要准备于施加的应力范围和接头类别所准备的应力集中状况。IWS-3/3.9-5/184动载焊接构造的设计IWE-T/3.3-9/291、疲乏强度评定程序首先依据载荷的历程编制构造工作状态的各个接头的应力谱，再依据本标准供给的相关曲线，承受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乏寿命，则可以考虑承受本接头形式、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展比较。推断接头接纳与否的程序流程为：IWS-3/3.9-5/184动载焊接构造的设计IWE-T/3.3-9/29IWS-3/3.9-5/184动载焊接构造的设计IWE-T/3.3-9/2912、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，在焊缝四周如有开孔、拐角应力集中因素时，计算中应予考虑。这是由于在本标准的接头内型中未考虑这一因素。〔2〕S-N曲线:本疲乏设计标准的数据是建立在焊接试样的常幅疲乏试验根底上的，S-N曲线一双对数坐标表示，其关系