鋼結構角焊縫低溫抗剪疲勞性能的試驗研究

王元清，顧浩洋，廖小偉

(土木工程安全與耐久教育部重點實驗室，清華大學土木工程系，北京 100084)

針對不同工程領域中的鋼結構所開展的疲勞問題研究許多需要考慮溫度低于室溫環境的條件。較典型的低溫條件有：地面交通工具、建筑結構、管線、航空器，溫度可低至219 K(-54 ℃)；天然氣儲存運輸工具，溫度可低至110 K(-163 ℃)；液氮儲存和運輸罐，溫度可低至77 K(-196 ℃)；太空結構，溫度可低至20 K(-253 ℃)；超導電機，溫度可低至4 K(-269 ℃)[1]。

目前對常溫下的鋼結構疲勞性能的研究較為全面。就疲勞問題研究的尺度而言，有材料層面的疲勞[2-4]、構造細節層面的疲勞[5]以及結構層面的疲勞[6]。就研究方法而言，國內外學者從S-N曲線評估方法、損傷力學、斷裂力學以及疲勞可靠度等角度對常溫下的疲勞問題進行了研究[7-9]。各國規范中已經廣泛采用S-N曲線用于構造細節的疲勞設計。相比于常溫下的疲勞研究，鋼結構的低溫疲勞研究尚不完善，低溫條件下的試驗研究不足，而各類評估方法在低溫條件下的適用性也沒有明確的結論。正如文獻[1]所指出的，確實存在一些試驗數據可以說明低溫條件下的常幅值疲勞性能不低于室溫下的疲勞性能，但同樣也有數據與之相悖。同時這還沒有考慮到低溫下的變幅疲勞問題。而在實際工程中，低溫環境下的疲勞斷裂事故使得研究者不得不正視這一問題。

國外學者對于低溫疲勞問題的研究起步較早，Forrest[10]最早研究了幾類合金金屬的低溫疲勞性能；而國內對于低溫疲勞的研究始于20世紀90年代渤海老二號平臺倒塌事故系列研究[11]。國內外學者研究低溫疲勞問題，主要的2個切入點：1) 試圖給出低溫環境下的S-N疲勞曲線，與常溫條件下做比對；2) 給出低溫環境下的疲勞裂紋擴展規律的擬合關系。前者往往會得到低溫條件下材料或者構造細節的疲勞性能略好于常溫的結論[12-13]，但也有例外，特別是Shul’ginov等[14]對低合金鋼材及其焊接接頭在-60 ℃的反復沖擊荷載下的疲勞強度低于常溫，該結果說明正弦波加載的疲勞試驗未必能反映實際結構在低溫下的疲勞性能。而后者的研究中，有中國學者(賈蘭星等)得到在斷裂韌性指標達到某一臨界值后，裂紋擴展速率會快于常溫下的結論[15]，也有學者針對橋梁鋼的試驗得到相反的結論[16]。

綜上所述，現有的研究中針對低溫環境下的疲勞性能試驗研究數據還較為匱乏，特別缺少變幅值或非典型正弦荷載幅下的疲勞試驗數據，同時構造細節的試驗數據也不足；低溫下的裂紋擴展速率、疲勞斷裂應力因子門檻值等的研究也不夠充分，難以得到確定性的研究結果。

本文針對使用Q345B鋼材加工焊接形成的兩類角焊縫連接構造細節在不同溫度點下進行拉伸疲勞試驗，由于在此類試驗中焊縫受剪應力作用，故可根據該結果得到在不同溫度下焊縫抗剪疲勞性能的試驗數據，以期補充這方面的試驗研究。試驗取0 ℃、-20 ℃、-40 ℃三個溫度點進行試驗，并與常溫條件(20 ℃)下的試驗數據進行對比。

1 試驗概況

根據試驗機的夾持條件和加載能力設計試件的尺寸，由于試件的尺寸較大，在試樣中設計了穿銷接頭進行加載，同時在試樣中預留穿銷孔。為了保證鋼材截面的強度不會由于打孔而顯著削弱，在兩側加持段將連接板的寬度適當加大，防止疲勞破壞發生在穿銷孔中。試驗設計參考金屬軸向疲勞試驗方法GB/T 3075―2008[17]，模擬了兩類角焊縫連接構造細節。為避免焊接變形過大，因此，先將試樣焊接完畢后再打穿銷孔。

1.1 試件設計

兩類側面角焊縫構造細節的試件尺寸如圖2和圖3所示，蓋板采用8 mm薄鋼板，被連接件選用12 mm薄鋼板，焊腳尺寸為5 mm。試樣所用的鋼材為Q345B鋼材，焊條采用的是E4303普通焊條。鋼材質量保證書提供的化學成分及材性數據如表1及表2所示，滿足《低合金高強度結構鋼》(GB/T 1591―2008)中的規定[18]。

根據ASTM E739―10規范的要求[19]，確保每個溫度條件下至少有10個有效試樣，每種構造細節的試樣預留至少5個，以防止出現某些無效試樣。該規范規定了重復試驗百分比不低于50%~75%。

圖1 側面角焊縫接頭試件尺寸圖 /mmFig.1 Side fillet welded specimen

1.2 加載方案

所有的疲勞試驗為應力比0.1的高周疲勞試驗，應力為試驗中的控制參量。針對兩類構造細節，得到受剪切作用的疲勞S-N曲線。由于一般以200萬次循環視作疲勞質量等級，因此，重點研究疲勞壽命Nf范圍在5×104≤N≤2×106段的疲勞曲線。

圖2 正面角焊縫接頭試件尺寸圖 /mmFig.2 Front fillet welded specimen

表1 鋼材化學成分Table 1 Chemical composition of steel

表2 鋼材力學性能Table 2 Mechanical properties of steel

具體試驗方案如下：

1) 疲勞試驗中交變荷載的頻率為與試件固有頻率發生共振時的頻率。

2) 取應力比為固定值0.1，根據靜力計算得到的焊縫剪切屈服強度的0.7倍~0.8倍初步確定最大荷載Nmax。

3) 在最大荷載的基礎上，根據試驗的結果調整第2級、第3級、第4級和第5級加載荷載，使得試樣的疲勞壽命大致分布在所要研究的疲勞曲線的區間內，且較為均勻地分布。

4) 用5個應力幅水平記錄下來的10個數據點的名義剪應力幅-疲勞破壞次數關系擬合出兩類構造細節的疲勞S-N曲線，即名義應力-壽命曲線，并在不同溫度點下重復試驗。

5) 對于荷載取值，由于兩類構造細節的焊縫抗剪切靜力強度存在一定差異，因此，存在一定的差異性。

1.3 試驗設備

試驗設備采用的是長春機械科學研究院的高頻拉壓疲勞試驗機GPS200，該試驗機的最大靜負載為±200 kN，最大動負載為100 kN，試驗機的加載頻率范圍為80 Hz~250 Hz。

試驗系統可以分為加載裝置、控制系統、低溫箱等部分，如圖3。加載裝置主要進行試樣的安裝和試驗；控制計算機通過輸入交變荷載和平均荷載控制疲勞加載幅值；低溫箱中注入液氮及空氣的混合物，使得箱體中維持試驗所需要的溫度，試驗開始前至少保持目標溫度5 min以上。

圖3 試驗設備示意圖Fig.3 Test equipment component

2 試驗結果

2.1 試驗現象

由于本試驗為拉-拉循環試驗，故可以避免試樣因失穩造成其他類型的破壞。低溫試樣的破壞模式與常溫下的類似(見圖4)：對于側面角焊縫接頭試樣，裂紋的位置為靠近焊縫的蓋板母材熱影響區；對于正面角焊縫接頭試樣，裂紋的位置為焊縫起點，并沿著焊縫貫穿。

試樣穿銷處截面有一定程度的削弱，試驗中的少數試樣出現了裂紋在穿銷孔處萌生的情況，這類試驗數據予以舍去，如圖5。

初步分析2類疲勞破壞的形態，可以發現發生疲勞破壞的位置與試樣的應力集中位置基本吻合。側面角焊縫試樣的應力流線在接頭處不連續，因而，會在焊縫處產生較大的應力集中，故在焊縫附件的蓋板母材熱影響區破壞。而正面角焊縫試樣雖然應力流線較為平順，但是焊縫處存在焊接殘余應力，同時焊材中可能存在微觀缺陷，致使疲勞裂紋在焊縫中萌生。

圖4 試件破壞形態Fig.4 Failure of specimen

2.2 試驗數據

在3個低溫環境下(0℃、-20℃、-40℃)對于側面角焊縫搭接接頭和正面角焊縫搭接接頭兩類細節，分別進行了5級荷載，即5個應力水平的試驗，但是由于試驗過程中的不確定因素(如機器加載波形故障、試樣200萬次未破壞等)，特別是裂紋在孔洞處萌生的情況造成一些明顯不合理的數據點，最終對每種試樣類型每個溫度點各得到10個有效數據點進行試驗結果處理，記錄下每個試件的名義應力幅、固有頻率及疲勞壽命如表3、表4所示。

圖5 裂紋萌生在孔洞處Fig.5 Crack initiation in hole

表3 側面角焊縫搭接接頭試驗結果Table 3 Test results of side fillet welded specimens

從表3的數據可以看出：

1) 側面角焊縫搭接接頭的疲勞破壞次數隨著荷載等級即最大荷載的減小是呈逐漸增大的趨勢，但由于疲勞試驗的一些不可控因素，每級荷載記錄下的4個疲勞破壞次數出現一定程度的離散性。同時，雖然有些數據點不滿足上述規律，但是就每級荷載下疲勞破壞次數的平均值而言，增長趨勢很明顯。

2) 不同試樣的固有頻率呈現出一定程度的波動，但是在124.4 Hz~137.6 Hz內進行波動，變化較小。

3) 雖然部分數據點的離散性使得規律不那么明顯，但是從總體趨勢上來看，側面角焊縫試樣的疲勞壽命隨著溫度的降低呈現上升趨勢。

綜上所述，根據表3中的數據作出側面角焊縫細節對應的S-N曲線是合理的。

從表4可知：

1) 正面角焊縫疲勞試驗結果規律與側面角焊縫類似，同一荷載等級下的疲勞壽命數據呈現出一定的離散性，同時其符合疲勞壽命隨著應力水平降低而增高的總體趨勢。

2) 不同試樣的固有頻率呈現出一定程度的波動，但是在119 Hz~130.7 Hz波動。

由于正面角焊縫試件的焊縫數量較少，且長度較短，因此，剪切應力幅值相對于側面角焊縫試件而言較大。正面角焊縫的有效截面上同時承受正應力和剪切應力，因而，這里的剪切應力幅是以焊縫在剪切狀態下的名義剪切應力規定的。在靜力條件下，正面角焊縫的強度比側面角焊縫大，從兩組數據對比中，疲勞加載條件下，正面角焊縫的抗剪力也較大。另外，從數據中可以發現低溫對正面角焊縫試樣的疲勞壽命影響不明顯，主要由焊接情況確定。

表4 正面角焊縫搭接接頭試驗結果Table 4 Test results of front fillet welded specimens

3 試驗結果分析

3.1 S-N曲線擬合

對側面和正面角焊縫搭接接頭在低溫下的試驗結果進行自然擬合所得S-N曲線如圖6所示。圖中坐標采用雙對數坐標。由于該試驗中應力幅值水平S系人為確定，壽命N為隨機變量，在擬合中用N對S擬合；虛線為擬合的均值曲線加減兩倍標準差得到的曲線。

將不同溫度下的自然擬合結果：公式、線性相關系數的平方值R2、標準差D，列于表5中。從總體的擬合效果來看，各個溫度點下的試驗數據都較好地符合雙對數坐標下的線性擬合關系。觀察數據點的分布可以發現基本都落在具有97.5%置信度的離散帶內。兩者擬合結果的斜率有明顯的差異：側面角焊縫試樣的擬合結果斜率在2.8~3.3，正面角焊縫試樣的擬合結果斜率在5.3~6.3，體現了這2種構造細節疲勞破壞結果的顯著不同。若以N=2×106時對應的應力幅值S作為構造細節的疲勞強度，側面角焊縫試樣的疲勞強度低于正面角焊縫的。

3.2 低溫與常溫試驗結果對比

將低溫下的疲勞試驗結果與同樣構造細節的常溫下的疲勞試驗結果進行對比[20]，可以發現對于側面角焊縫的試樣而言，低溫環境提高了連接細節的疲勞壽命；而正面角焊縫試樣的試驗結果表現出了較大的離散型，在常溫到-40℃的溫度區間內低溫對疲勞壽命的影響并不明顯，低溫疲勞性能主要受到焊接過程的控制。

若以N=2×106時對應的應力幅值S作為構造細節的強度。對于側面角焊縫試樣來說，從-40 ℃~20 ℃，其疲勞強度依次為：71.89 MPa、67.17 MPa、45.36 MPa、66.50 MPa；對于正面角焊縫試樣來說，從-40 ℃~20 ℃，其疲勞強度依次為：125.14 MPa、115.90 MPa、104.31 MPa、119.85 MPa。

將低溫下的疲勞試驗數據與常溫下的數據繪制在同一張圖表中，如圖7、圖8所示。

表5 各個溫度點下的數據擬合情況Table 5 Fitting results at various temperatures

圖6 各個溫度點下的擬合曲線圖Fig.6 Fitting curves at various temperatures

綜上所述，本次試驗中針對2種構造細節做的低溫疲勞試驗表明：焊接鋼結構節點在低溫下的疲勞試驗離散性較大，其中側面角焊縫試樣試驗結果的離散程度低于正面角焊縫試樣的，對于前者來說，低溫提高了節點的疲勞壽命，但對于后者而言，疲勞壽命受溫度的影響并不顯著。

圖7 側面角焊縫試樣不同溫度下數據Fig.7 Data of side fillet welded specimens at various temperatures

圖8 正面角焊縫試樣不同溫度下數據Fig.8 Data of front fillet welded specimens at various temperatures

4 結論

(1) 側面角焊縫試樣在低溫下的疲勞試驗結果與正面角焊縫試樣顯著不同，應當作為兩類構造細節看待。擬合曲線斜率差異較大。正面角焊縫的疲勞強度高于側面角焊縫的。

(2) 側面角焊縫試樣在低溫下的疲勞性能好于常溫下的疲勞性能，而低溫對正面角焊縫試樣的疲勞性能的影響并不明顯。

(3) 低溫下構造細節的疲勞性能與常溫下存在一定的差異。但是如果需要將這種差異考慮到規范設計條文中，則需要進行更多的低溫下不同構造細節的疲勞試驗。同時，由于構造細節不同于材料性能檢測，受到焊接工藝等因素的影響，因此，需要更大量的試驗，并結合斷裂力學等方法進行更加細致的機理研究。