焊縫應力集中對復雜焊接構件疲勞強度的影響

李斌華

(忻州市建筑設計院，山西忻州 034000)

1 概述

鋼結構憑借其自重輕、力學性能優良、施工便捷等優點，被很多要求大跨度、大空間、快速施工建設的建筑形式所采用，如:懸索鋼橋、藝術球形節點鋼結構網架、球形網殼體育館等，這就使得我們對其結構性能和安全性能的分析變得尤為重要。與過去鋼結構構件的鉚接、螺栓連接相比較，由于焊接連接方式具有:優化構件截面，節省鋼材，構造簡單，易于加工，連接性能好，剛度大，便于采用自動化生產等優點，而得到越來越廣泛的應用。

復雜焊接結構一般具有:1)幾何形狀異型、構件多、尺寸厚度大、構造復雜;2)焊縫尺寸長、相互交錯、種類繁多;3)焊縫多由對接焊縫與角接焊縫等組合而成;4)現場施工條件差，焊縫檢查不同步，保證焊縫質量的難度大;5)整體結構的內力復雜，構件多處于多向應力狀態;6)構件內部包含多種缺口效應，造成該處疲勞強度降低較多。綜上可看出，復雜焊接結構的整體力學性能，大多受到焊接焊縫性能的影響。假定焊接焊縫將各構件緊密連接成結構整體，并無內部應力缺陷，這時，結構的整體力學性能分析就變為簡單的理想剛件組合結構分析。因此，對焊接焊縫性能的分析，就成為結構整體性能分析的基礎。

2 焊縫應力集中對結構疲勞強度的影響

由于焊接結構在幾何形狀變化處產生的局部應力比名義應力大得多，因此疲勞裂紋首先從這些局部應力集中處生成。研究這些部位的應力集中，將有助于了解焊接結構的疲勞破壞性質。

1)焊接接頭類型的影響。

焊接接頭主要分為:對接接頭、十字接頭、T形接頭及搭接接頭。這些接頭處的傳力線受到擾動，從而產生應力集中(見圖1)。

圖1 焊接接頭疲勞極限—應力比關系圖

對接接頭處的力線擾動較小，從而產生的應力集中系數較小，其具有較高的疲勞強度;十字接頭與T形接頭處，由于在焊縫方向的金屬過渡處發生較大的截面變化，應力集中系數較對接接頭高，相應的其疲勞強度較低;搭接接頭處，由于采用了加強蓋板，力線發生較大曲變，明顯降低了其疲勞強度。

2)焊縫幾何形狀的影響。

所有接頭類型均由角焊縫和對接焊縫來完成連接，焊縫的尺寸不同，相應的應力集中系數也不相同，使得疲勞強度產生明顯的分散性。

Soete，Van Crombrugge選取15 mm板，采用不同的角焊縫施焊，在軸向疲勞荷載下的試驗發現，焊縫的焊角小于13 mm時，疲勞斷裂發生在焊縫中;當焊角大于18 mm時，疲勞斷裂發生在母材中(見圖2)。據此，提出了極限焊角尺寸:

其中，S為焊角尺寸;B為板厚。

圖2 低碳鋼搭接接頭的疲勞極限對比

Yamaguchi等人建立了疲勞強度和基本金屬與焊縫金屬之間過渡角的關系。試驗中，焊縫寬度(W)和焊縫加強高度(h)變化時，如果夾角(h/W)保持不變時，疲勞強度也保持不變;當焊縫寬度保持不變時，增加焊縫加強高度，接頭處的疲勞強度降低，這是夾角發生變化導致的。這都表明，焊縫的形狀對接頭的疲勞強度影響比較明顯。

3)焊接缺陷的影響。

a.裂紋。取W=60 mm，B=13 mm，低碳鋼對接接頭試件中，當焊縫中裂紋達到截面積10%時，在交變荷載作用下，試件的疲勞強度較低55%～65%(W為試件寬，B為試件厚度)。

b.未焊透。其削弱了截面面積，引起較大的應力集中。當削弱面積達到10%時，構件的疲勞強度降低了25%。

c.咬邊。通常將咬邊深度與板厚的比值(h/B)作為評定接頭疲勞強度的重要參數。

d.氣孔。氣孔減小了焊縫界面尺寸，從而降低了連接處的疲勞強度，表面或表層下氣孔對接頭疲勞強度具有最不利影響。

e.夾渣。夾渣作為體積類缺陷，較氣孔對接頭疲勞強度影響更大。

3 改善結構疲勞強度的措施

焊接結構疲勞裂紋，多從焊根、焊趾部位處開始延伸，假設我們能夠抑制焊根部位疲勞裂紋的產生及延伸，則焊接結構的疲勞裂紋發生的薄弱位置將集中到焊趾處。對于提高焊接結構的疲勞強度，可通過下列一些方法來進行改善:降低、減小焊縫焊接時的缺陷，尤其是開口缺陷;最大程度的保護焊縫焊接的截面幾何尺寸、面積，從而降低該處的應力集中系數;控制焊接時的殘余應力場，保留相對有利的殘余壓縮應力場(見圖3，圖4)。

圖3 改善措施（一）

圖4 改善措施（二）

4 結語

參照歐洲標準《鋼結構的疲勞設計規范》中提出的:“疲勞裂紋很少在遠離焊接細節和連接處的平坦的母材上形成，盡管連接處的靜強度超過被連接件的靜強度，然而連接處仍是疲勞評估的最重要部位”;“裂紋一般在焊縫或靠近焊縫處、橫截面突變處或節點偏心處形成，避免發生疲勞問題的最有效的途徑，是仔細地進行連接的細部設計和制造”。因此，針對復雜焊接結構的疲勞研究，還應從大量試驗室數據中著重分析焊縫焊接時對構件的熱影響、焊縫的殘余應力及焊接缺陷。也正是這些部位力學性能的削弱導致了局部應力偏大、應力流偏轉較強、應力集中比較嚴重，進而成為結構抗疲勞性能的薄弱位置。

［1］霍立英.焊接結構的疲勞破壞行為及評定［M］.北京：機械工業出版社，2000.

［2］徐 灝.疲勞強度［M］.北京：高等教育出版社，1988.

［3］楊新岐，張新艷，霍立興，等.焊接接頭疲勞評定局部法研究進展［J］.機械強度，2003，25(6)：93-95.

［4］徐永春，鄭榮躍，王者靜，等.基于斷裂力學的機械結構構件焊接節點疲勞性能研究［J］.中國機械工程，2005，15(24)：91-93.