IWE动载结构及设计3.14-15

动载焊接结构的设计黑龙江工程学院王佳杰(IWE-3/3.14-17)2010.03

动载焊接结构的设计ⅠⅡ一、焊接结构疲劳强度设计的一般原那么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准那么：总的原那么：采取一切措施，排除或减小应力集中的影响。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，防止使用单面焊缝；IWE-3/3.14-15

动载焊接结构的设计ⅠⅡ4.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防止使其叠加；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；IWE-3/3.14-15动载焊接结构的设计ⅠⅡ7.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，那么加强件长度应小。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；防止能扰乱力流的开口，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IWE-3/3.14-15疲劳设计方法

动载焊接结构的设计ⅠⅡIWE-3/3.14-15许用应力法疲劳寿命设计

极限状态设计法我国钢结构标准，原设计标准根本金属及连接的疲劳计算中，采用疲劳许用应力。⑴许用应力确实定先通过实验测定材料、结构的疲劳强度或疲劳极限，再按存活率〔一般结构97.7％，特重要结构99.99％〕和疲劳循环次数〔如2×次〕确定疲劳强度；疲劳强度的许用应力式中：-平安系数；⑵设计原那么最大疲劳工作应力≤许用应力⑶缺点①没有考虑疲劳载荷的累积效应；②没有考虑过载峰对疲劳寿命的影响；③没有考虑千变万化的不确定因素。过去把这些不确定因素的影响，涵盖在平安系数里，加以考虑。二、疲劳强度的许用应力设计法IWE-3/3.14-15三、焊接结构的疲劳寿命设计3.1疲劳裂纹的亚临界扩展

图1亚临界裂纹与临界裂纹尺寸一个初始裂纹的构件，只有载荷应力到达临界值时〔图1〕，亦即当裂纹尖端的应力强度因子到达临界值时，才会失稳破坏。一个有初始裂纹的构件承受的循环应力时，裂纹会发生缓慢扩展。初始裂纹扩展到临界裂纹的过程，称为疲劳裂纹的亚临界扩展阶段。研究疲劳裂纹亚临界扩展规律，对结构的疲劳寿命设计和确定现役结构的疲劳寿命，具有重要的理论意义和实用价值。IWE-3/3.14-15疲劳寿命设计有两种设计原那么：⑴按疲劳裂纹发生寿命设计：该设计法以积累损伤不产生疲劳裂纹为限度。⑵按疲劳裂纹扩展寿命设计：该设计法以积累损伤，疲劳裂纹不失稳为限度。3.2疲劳裂纹扩展规律

IWE-3/3.14-15裂纹扩展速率可写成以下形式：帕瑞斯〔Paris〕提出了以下关于裂纹扩展的重要经验公式：：对于中心开有长2a缺口〔裂纹〕的无限宽板，有:亚临界裂纹扩展速率不受试样几何形状和加载方法的限制，而直接受应力强度因子幅度⊿K的控制帕瑞斯的指数规律公式〔6-9〕有两个缺点：首先它未考虑平均应力对da/dN的影响，其次是它未考虑当裂纹尖端的应力强度因子趋近其临界值KIc时，裂纹的加速扩展效应。福曼〔Forman〕提出修正公式：图3根据“指数规律”公式绘制的7075-T6铝合金的da/dN与ΔK的关系曲线图4根据福曼公式绘制的7075-T6铝合金相应曲线图5华格公式处理后的da／dN图6.7.2疲劳裂纹扩展特性da/dN-⊿K曲线的一般关系图6金属材料da/dN—ΔK在双对数坐标上的一般关系图这种指数规律不能用来表征高应变循环条件下裂纹的扩展规律。高应变循环疲劳也称为低循环疲劳或塑性疲劳。它一般发生在高应力、低循环、高扩展速率的情况下，此时试验条件不是控制应力、而是控制应变幅值。断裂力学中用裂纹尖端的张开位移来描述此时的裂纹扩展规律，即以上所讨论的是在应力循环条件下，裂纹在弹性区内的扩展规律。应当说明，这些规律的应用范围是低应力、高循环、低扩展速率。

裂纹张开位移幅度⊿δt就是影响裂纹扩展速率的主要参量。低周疲劳〔塑性疲劳或应变疲劳〕的裂纹扩展速率6.7.3疲劳裂纹扩展寿命的估算以帕瑞斯公式为例，那么：对上式求定积分：对于无限大板中心穿透裂纹

n=2时，疲劳裂纹扩展寿命为：于是假设以福曼公式为例，那么：对于无限大板中心穿透裂纹的情况：

用⊿Kf表示对应于临界裂纹尺寸ac时的应力强度因子幅值，有：

对于应变疲劳的情况，由于此时最大应变已经与屈服应变相当，裂纹尖端的塑性区很大，故必需用弹塑性断裂力学来分析疲劳裂纹扩展速率，也就是说利用裂纹尖端张开位移幅度⊿δ或J积分幅度⊿J作为控制裂纹扩展速率的主要参量，即：式中的A，n和B，m在一定条件下是材料常数。

3动载焊接结构的设计ⅠⅡ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与原设计标准TL17-74相比，在钢结构疲劳强度计算中作了一些改动，在原设计标准中，根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〕。IWE-3/3.14-153动载焊接结构的设计ⅠⅡ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〔如构件外表温度高于150℃，构件处于海水腐蚀环境，焊后热处理消除焊接剩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。IWE-3/3.14-153动载焊接结构的设计ⅠⅡ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：△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、β-常数，根据表1中的类别按表2计算。IWE-3/3.14-154动载焊接结构的设计ⅠⅡ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2×106次的容许应力范围〔按表4采用〕IWE-3/3.14-154动载焊接结构的设计ⅠⅡ

对变幅疲劳〔按应力循环内的应力范围随机变化〕，假设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，那么可将其折算为等效常幅疲劳，并按下式进行计算：式中：△σe---变幅疲劳的等效应力范围，IWE-3/3.14-154动载焊接结构的设计ⅠⅡ△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结构预期使用寿命；ni—预期寿命内应力范围水平到达[Δσ]i的应力循环次数。IWE-3/3.14-153动载焊接结构的设计ⅠⅡ〔二〕欧洲钢结构协会〔ECCS〕的钢结构疲劳设计标准本标准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“第三本欧洲标准”“Eurocode3”钢结构设计一书第九章“疲劳”的根本资料。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〕IWE-3/3.14-153动载焊接结构的设计ⅠⅡ

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劳强度〔如图18所示〕。rm和rs分别为考虑疲劳强度和载荷的平安系数。对疲劳强度ΔσR选取的平安系数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。IWE-3/3.14-153动载焊接结构的设计ⅠⅡIWE-3/3.14-153动载焊接结构的设计ⅠⅡ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100－1000Mpa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ΔσR可由表５查出。IWE-3/3.14-153动载焊接结构的设计ⅠⅡ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的细节类型号相照应；另外把图１８中的常幅疲劳极限定义为寿命为5×106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10８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。

IWE-3/3.14-154动载焊接结构的设计ⅠⅡ第三：图中各疲劳强度的平行线。其m值为３。另外，图中疲劳强度曲线是以板厚为１５mm的式样实验获得的。当板厚超过２５mm时。可用下式估算强度。

式中:ΔσRc---细节校正后的疲劳强度；ΔσR――未经校正过的的疲劳强度。B--板厚〔mm〕。IWE-3/3.14-154动载焊接结构的设计ⅠⅡ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５，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ΔτR的数值IWE-3/3.14-154动载焊接结构的设计ⅠⅡ设计应力范围Δσe,可采用Miner的累加法那么计算式中：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—设计寿命期间内所有应力范围下的循环数的总和；Δσi—第i级应力范围值。IWE-3/3.14-154动载焊接结构的设计ⅠⅡ注意本标准只适用于屈服点低于700Mpa的各种等级的结构钢，标准不适用于低周-高应变疲劳；即任一标称应力范围超过屈服点σS的1.5倍时，不能采用本疲劳评估程序。另外本标准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标准进行疲劳评估。IWE-3/3.14-154动载焊接结构的设计ⅠⅡ〔三〕国际焊接学会的循环加载焊接钢结构的设计标准(IIW.Doc639-81)该疲劳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，也不适用在严重腐蚀介质下工作的焊接构件。该标准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。IWE-3/3.14-154动载焊接结构的设计ⅠⅡ1、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，再根据本标准提供的相关曲线，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，那么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：IWE-3/3.14-154动载焊接结构的设计ⅠⅡIWE-3/3.14-154动载焊接结构的设计ⅠⅡ12、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。这是因为在本标准的接头内型中未考虑这一因素。〔2〕S-N曲线:本疲劳设计标准的数据是建立在焊接试样的常幅疲劳试验根底上的，S-N曲线一双对数坐标表示，其关系式为N=c/ΔσmIWE-3/3.14-154动载焊接结构的设计ⅠⅡ各条S-N曲线具有相同的m值〔