IWE動載焊接結構的強及其設計(工程師2)[整理版]

1、2 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度iws-3/3.9-5/18 三、 影響焊接接頭疲勞強度的因素 影響基本金屬疲勞強度的因素（如應力集中、截面尺寸、表面狀態(tài)、加載情況、介質等因素），同樣對焊接結構的疲勞強度有影響。 除此之外焊接結構本身的一些特點，例如焊接結構的應力集中，接頭部位近縫區(qū)性能的改變，焊接殘余應力等也可能對焊接結構疲勞強度發(fā)生影響，下面探討這些因素的影響。 2 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度（一）應力集中的影響 焊接結構中，不同的焊接接頭形式和形狀，由于在接頭部位具有不同的應力集中，對接頭的疲勞強度發(fā)生程度不同的不利影響。1、對接接頭由于形狀變化

2、不大，因此其應力集中比其他形式接頭要小，只是焊縫加強高和過渡角處會使接頭疲勞強度下降。 2、丁字和十字接頭，由于在焊縫向基本金屬過渡處有明顯的截面變化，其應力集中系數比對接接頭的高，因此其疲勞強度遠低于對接接頭，未開坡口的角焊縫的十字接頭，當焊縫傳遞工作應力時，其疲勞斷裂發(fā)生母材與焊縫趾端交界處和焊縫上的薄弱環(huán)節(jié)上。 iws-3/3.9-5/182 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度 圖13為兩種鋼材十字接頭疲勞強度圖，實線代表疲勞強度是按斷裂在母材計算的，虛線是 按斷裂在焊縫計算的。由圖可看出合金鋼對應力集中比較敏感，在這種情況下，采用低合金鋼對疲勞強度并沒有優(yōu)越性，此外增加焊

3、縫尺寸對提高疲勞強度僅僅在一定范圍內才有效。1-11r1002003004000500低合金錳鋼低合金錳鋼低碳鋼低碳鋼母材母材焊縫焊縫iws-3/3.9-5/183 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度 圖14為開坡口焊縫的低碳鋼十字接頭疲勞強度圖，其疲勞強度有較大提高。 1-11r1002003004000500開破口開破口不開破口不開破口機加工機加工未加工未加工iws-3/3.9-5/182 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度 圖15為焊縫不承受工作應力的低碳鋼丁字和十字接頭的疲勞強度。 丁字接頭和經過機 械加工的接頭具有 較高的疲勞強度。 1-110020030

4、04000500聯系焊縫聯系焊縫工作焊縫工作焊縫丁字丁字十字十字0riws-3/3.9-5/182 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度 3、搭接接頭的疲勞強度是很低的 34%49%100%51%49%40%側面焊縫1:11:3.81:21:2表面加工對接蓋面表面加工iws-3/3.9-6/182 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度 僅有側面焊縫的搭接接頭（a），其疲勞強度最低，只達到基本金屬的34%。正面焊縫的搭接接頭的焊腳從1:1、1:2、1:3.8其疲勞強度從40%(b)，49%(c), 51%(d表面加工)和100%（e表面加工）。 采用所謂加強蓋板的對接接頭

5、是極不合理的。由圖16(f)試驗結果表明，原來疲勞強度較高的對接接頭被大大削弱了，只有其一半。 iws-3/3.9-6/182 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度（二）近縫區(qū)金屬性能變化的影響 試驗研究表明，在常用的線能量下，低碳鋼焊縫、熱影響區(qū)和基本金屬的疲勞強度相當接近，其近縫區(qū)金屬機械性能變化對對接接頭的疲勞強度影響較小。 低合金鋼的情況比較復雜的，在熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)的機械性能變化比低碳鋼大，但在有應力集中或無應力集中時都對疲勞強度影響不大，試驗還表明，材料的性能對疲勞裂紋擴展速率有一定的影響，但不太大。 在實際焊接結構中，如果熱影響區(qū)的尺寸不大，就不會降低焊接接頭的

6、疲勞強度。iws-3/3.9-6/182 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度 （三）殘余應力的影響 內應力對疲勞強度的影響，從理論上可以看出，當有內應力時，當應力盾環(huán)中最大應力max 到達 s時，內應力將因應力全面達到屈服而消除，所以當m達到一定數值時（即m+a=s），內應力對疲勞強度將沒有影響，當m小于此值時，則m越小，內應力的影響愈顯著。 從焊接接頭的疲勞強度結果表明焊接應力對疲勞強度的影響與應力盾環(huán)特征系數有關，越?。ㄘ摂担蛊趶姸冉档?，影響疲勞強度越嚴重，此外 應力集中越嚴重處其內應力的影響也更為突出。iws-3/3.9-7/182 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和

7、結構的疲勞強度（四）缺陷的影響焊接缺陷對疲勞強度的影響大小與缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關。1、缺陷形狀：片狀缺陷（如裂縫、未熔合、未焊透）比帶圓角的缺陷（如氣孔等）影響大。2、缺陷位置：表面缺陷比內部缺陷影響大。3、缺陷受力方向與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響比其它方向的大。 iws-3/3.9-7/182 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度 4、位于殘余拉應力區(qū)內的缺陷的影響比在殘余壓應力區(qū)的大。5、位于應力集中區(qū)的缺陷（如焊趾部裂紋）的影響比在均勻應力場中同樣缺陷影響大。6、材料影響，缺陷對缺口敏感性強的疲勞強度的影響比一般缺口敏感材料疲勞強度影響要大，所以高強鋼強度高而

8、實際其疲勞強度并沒有提高很多。 iws-3/3.9-7/182 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度 四、提高焊接結構疲勞強度措施 （一）降低構件中的應力集中系數 結構中的應力集中是降低焊接結構疲勞強度的最主要的因素，在結構設計中減少應力集中甚至比確定疲勞設計應力還重要。只有當焊接接頭和結構設計合理，焊接工藝完善，焊縫金屬質量良好時，才能保證焊接接頭和結構具有較高的疲勞強度，一般可以采取下列措施：iws-3/3.9-7/182 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度 1、采用合理的構件結構形式，減少應力集中，以提高疲勞強度； 2、合理地選擇接頭形式，盡量采用應力集中系數小

9、的對接接頭，焊縫形狀過平緩，采用連續(xù)焊縫比斷續(xù)焊縫有利，盡量少采用角焊縫； 3、當采用角焊縫時（不可避免）須采取綜合措施；機械加工焊縫端部，合理選擇角接板形狀，保證焊縫根部焊透等； 4、用表面機械加工的方法消除焊縫及其附近的各種刻槽，來降低接頭應力集中程度。iws-3/3.9-7/182 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度（二）提高焊接結構疲勞強度的工藝措施1、在工藝上應正確選擇焊接規(guī)范，保證焊縫良好成形和內、外部沒有缺陷；2、tig電弧整形，可以大幅度提高焊接接頭的疲勞強度；3、調整殘余應力場，消除接頭的應力集中處的殘余壓應力均可以提高接頭的疲勞強度，其方法可以分為兩類：（1）

10、結構和元件的整體處理，包括整體退火或超載予拉伸法； iws-3/3.9-5/182 焊接接頭和結構的疲勞強度焊接接頭和結構的疲勞強度iwe-t/3.3-11/29（2）對接頭部位局部處理，即在接頭某部位采用加熱、輾壓、局部爆炸等方法，使接頭應力集中處產生殘余壓應力。4、改善材料的機械性能 表面強化處理，用小輪擠壓或鍾輕打焊縫表面及過渡區(qū)，或用小鋼丸噴射焊縫區(qū)都可提高接頭的疲勞強度。（三）特殊保護措施一塑性涂層 采用特殊的塑料涂層改善焊接接疲勞性能是一種新技術，其效果較顯著，正在進一步研究予以應用。 iws-3/3.9-7/183 動載焊接結構的設計動載焊接結構的設計 一、焊接結構疲勞強度設計的

11、一般原則 根據焊接結構的特點和大量實際焊接結構設計的實踐經驗，得出在焊接結構疲勞強度設計時應予以考慮的準則：1. 承受拉伸、彎曲和扭轉的構件應采用長而圓滑的過渡結構以減少剛度的突然變化；2. 優(yōu)先選用對接焊縫，盡可能少用角焊縫；3. 采用角焊縫時最好用雙面角焊縫，避免使用單面焊縫； iws-3/3.9-7/183 動載焊接結構的設計動載焊接結構的設計4. 采用帶有搭接蓋板的搭接接頭，盡可能不用偏心搭接；5. 使焊縫（特別是焊趾、焊縫根部和焊縫端部）位于低應力區(qū)（例如彎曲時中性帶、承受小彎矩的部分區(qū)域、孔邊緣上使缺口應力為零的地方、過渡段和轉角以外的部位），使各因素引起的缺口效應分散而避免使其疊

12、加；6. 在焊趾缺口、焊縫根部缺口和焊縫端部缺口之前或之后（處于力流之中）設置一些緩沖缺口以消除或降低上述缺口部位的應力；iws-3/3.9-8/183 動載焊接結構的設計動載焊接結構的設計 7. 承受橫向彎曲的構件應縮短支承間距以減少彎矩； 8. 橫向力應作用于剪切中心之上，以減少扭矩； 9. 承受拉伸與彎曲的構件如需加強，則加強件長度應小。以減小加強對于構件變形的拘束； 10. 在薄板范圍內合理部位布置焊縫，以減輕彎曲變形；避免能擾亂力流的開口，但與力流垂直的加強筋板角部應切除（加強筋板切角）；11.在特別危險的部位以螺栓接頭或鉚接接頭、鍛造連接件代替焊接接頭（又可便于裝配）等 iws-3

13、/3.9-8/183 動載焊接結構的設計動載焊接結構的設計二、焊接鋼結構疲勞強度設計計算（一）我國鋼結構的標準 我國現行鋼結構的標準gb-17-88與原設計規(guī)范tl17-74相比，在鋼結構疲勞強度計算中作了一些改動，在原設計規(guī)范中，基本金屬和連接的疲勞計算采用疲勞許用應力法進行。在gb-17-18的疲勞計算中采用容許應力范圍方法；應力按彈性狀態(tài)計算。 容許應力范圍按構件和連接類別以及應力循環(huán)次數確定。如表1所示(見資料）。 iws-3/3.9-8/183 動載焊接結構的設計動載焊接結構的設計同時還規(guī)定：（1）在應力循環(huán)中不出現拉應力的部位可不計算疲勞強度； （2）本計算不適用于特殊條件（如構件

14、表面溫度高于150，構件處于海水腐蝕環(huán)境，焊后熱處理消除焊接殘余應力以及低周高應變疲勞條件等）的結構元件及其連接的疲勞計算。iws-3/3.9-8/183 動載焊接結構的設計動載焊接結構的設計 標準中規(guī)定對常幅疲勞（所有應力循環(huán)內的應力范圍保持常量），應按下式進行計算：式中：-對焊接部位為應力范圍 對非焊接部位為折算應力范圍 -常幅疲勞的容許應力范圍（mpa）應按下式計算：式中：n - 應力循環(huán)次數； c、-常數，根據表1中的類別按表2計算。minmaxminmax7 . 01nciws-3/3.9-8/184 動載焊接結構的設計動載焊接結構的設計iwe-t/3.3-13/29 對于重級工作制

15、吊車梁和重級、中級工作制吊車桁架的疲勞，可作為常幅疲勞按下式計算： 式中： af 欠載效應的等效系數（按表3采用） -循環(huán)次數n為2106次的容許應力范圍（按表4采用）6102fa6102iws-3/3.9-5/184 動載焊接結構的設計動載焊接結構的設計iwe-t/3.3-13/29 對變幅疲勞（按應力循環(huán)內的應力范圍隨機變化），若能測出結構在使用壽命期間各種載荷的頻率分布、應力范圍水平以及頻次分布總和所構成設計應力譜，則可將其折算為等效常幅疲勞，并按下式進行計算： 式中：e -變幅疲勞的等效應力范圍， eiws-3/3.9-5/184 動載焊接結構的設計動載焊接結構的設計iwe-t/3.3

16、-13/29 e 按下式確定：i 第i級應力范圍； 以應力循環(huán)次數表示的結構預期使用壽命； ni 預期壽命內應力范圍水平達到i的應力循環(huán)次數。 in1iiien)(niws-3/3.9-5/183 動載焊接結構的設計動載焊接結構的設計iwe-t/3.3-9/29（二）歐洲鋼結構協會（eccs）的鋼結構疲勞設計規(guī)范 本規(guī)范為承受疲勞載荷鋼結構的評估、制造、檢查和維修，提供了系統(tǒng)的原理和方法，該文稿受到在相關領域工作的大多數國際組織的審核，并已作為 “第三本歐洲規(guī)范”“eurocode3”鋼結構設計一書第九章“疲勞”的基本資料。 結構可以承受應力循環(huán)次數取決于：公稱應力范圍及特定結構構件的細節(jié)類型

17、。具體地講可以解析地以下式表示 ： （用于強度低于700mpa的材料）iws-3/3.9-11/183 動載焊接結構的設計動載焊接結構的設計 式中：r -本規(guī)范中給出的在給定應力循環(huán)次數下，以應力范圍定義的疲勞強度（如圖18所示）。 rm和 rs 分別為考慮疲勞強度和載荷的安全系數。 對疲勞強度r選取的安全系數rm，應反映由于局部應力集中、細節(jié)尺寸、冶金效應、剩余應力、裂紋形狀和焊接工序變化等而造成的給定結構細節(jié)的疲勞強度不穩(wěn)定性。 rs與構件設計中所選用的載荷大小、應力循環(huán)次數、設計應力譜的等效常幅化有關。該二系數rm 、rs適用于在設計中根據結構特性取值，但不應小于1。ssmrrriws-

18、3/3.9-12/183 動載焊接結構的設計動載焊接結構的設計105106107108105 限截止限slope m=5.0052slope m=3.00limit by material s-n curve橫幅疲勞限細節(jié)類型160140125112901005045406371805636 log rlogniws-3/3.9-12/183 動載焊接結構的設計動載焊接結構的設計iwe-t/3.3-9/29 該圖中在雙對數坐標上繪出一平行等距直線表示的不同接頭類型的疲勞強度，即把縱坐標刻度分為20級（在1001000mpa之間），每一級大約有12的疲勞強度區(qū)別。 具體可用下式表達： 式中的r可

19、由表查出。mrcnrmcnlogloglogiws-3/3.9-12/183 動載焊接結構的設計動載焊接結構的設計iwe-t/3.3-9/29 要說明的是： 第一： 表中的細節(jié)類型號（如160,140）是壽命為n=2106次應力循環(huán)時r的值。它與表4-6的細節(jié)類型號相呼應；另外把圖中的常幅疲勞極限定義為壽命為5106次應力循環(huán)時的疲勞強度，當構件全部應力范圍低于該常幅疲勞強度時。無需進行疲勞計算。 第二：截止限定義壽命為10次應力循環(huán)時的疲勞強度，所有低于截止限的應力范圍?？陕匀ゲ挥?。 iws-3/3.9-12/184 動載焊接結構的設計動載焊接結構的設計iwe-t/3.3-9/29 第三：圖

20、中各疲勞強度的平行線。其m值為。另外，圖中疲勞強度曲線是以板厚為mm的式樣實驗獲得的。當板厚超過mm時?？捎孟率焦浪銖姸取?式中: rc-細節(jié)校正后的疲勞強度； r未經校正過的的疲勞強度。 b - 板厚（mm）。brrc254iws-3/3.9-5/184 動載焊接結構的設計動載焊接結構的設計iwe-t/3.3-9/29第四，切應力疲勞強度曲線，通常此種疲勞失效時裂紋擴展是沿角焊縫截面（最大高度。104105106107108109截止限slope m=5.0052分類80 log rlogn截面）進行的，此時m取為，截止限仍為108 次應力循環(huán)，但沒有常幅疲勞限，如圖19所示。表11為切應力

21、疲勞強度r的數值iws-3/3.9-5/184 動載焊接結構的設計動載焊接結構的設計iwe-t/3.3-9/29設計應力范圍e,可采用miner的累加法則計算式中：k 為應力譜中不同應力范圍的總數；ni 對應于應力范圍的i應力循環(huán)次數； n設計壽命期間內所有應力范圍下的循環(huán)數的總和； i 第i級應力范圍值。mkiimienn/11iws-3/3.9-5/184 動載焊接結構的設計動載焊接結構的設計iwe-t/3.3-9/29 注意本規(guī)范只適用于屈服點低于700mpa的各種等級的結構鋼，規(guī)范不適用于低周-高應變疲勞；即任一標稱應力范圍超過屈服點s的1.5倍時，不能采用本疲勞評估程序。 另外本規(guī)范

22、沒有考慮由于腐蝕而引起的疲勞強度降低，服役溫度高于150的結構也不能采用本規(guī)范進行疲勞評估。iws-3/3.9-5/184 動載焊接結構的設計動載焊接結構的設計iwe-t/3.3-9/29 （三）國際焊接學會的循環(huán)加載焊接鋼結構的設計規(guī)范(iiw.doc 639-81) 該疲勞強度設計規(guī)范適用于焊態(tài)的屈服點低于700mpa的碳鋼、碳錳鋼和細晶粒鋼調質鋼材的焊接接頭。它不針對某一具體產品，也不適用在嚴重腐蝕介質下工作的焊接構件。 該規(guī)范的出發(fā)點是焊接結構的疲勞壽命依賴于結構內各焊接接頭的疲勞強度，而焊接接頭的疲勞強度主要決定于施加的應力范圍和接頭類別所決定的應力集中情況。iws-3/3.9-5/

23、184 動載焊接結構的設計動載焊接結構的設計iwe-t/3.3-9/291、疲勞強度評定程序 首先根據載荷的歷程編制結構工作狀態(tài)的各個接頭的應力譜，再根據本規(guī)范提供的相關曲線，采用適當的損傷累積理論方法計算在此工作應力譜下各個接頭的疲勞壽命，則可以考慮采用本接頭形式、類別。 應當指出，對于應力范圍保持不變的常幅載荷，作為特例其計算程序為把本標準的各有關s-n曲線所給定的壽命與需求的壽命直接進行比較。判斷接頭接納與否的程序流程為： iws-3/3.9-5/184 動載焊接結構的設計動載焊接結構的設計iwe-t/3.3-9/29載荷歷程載荷歷程應力譜應力譜焊接接頭細部類別焊接接頭細部類別相關的s-n曲線相關的s-n曲線損傷累計計算損傷累計計算推算壽命推算壽命與需求的壽命比較與需求的壽命比較iws-3/3.9-5/184 動載焊接結構的設計動載焊接結構的設計iwe-t/3.3-9/291 2、程序中主要內容（ 1）應力計算: 接頭中的應力一般就為法向應力，在焊縫附近如有開孔、拐角應力集中因素時，計算