焊接鋼結構疲勞強度與壽命預測理論的探討

彭各

（重慶市軌道交通（集團）有限公司重慶　401121）

焊接鋼結構疲勞強度與壽命預測理論的探討

彭各

（重慶市軌道交通（集團）有限公司重慶401121）

本文利用三維有限元理論，提出了基于五面體單元的積分處理方法，將其應用到焊接航結構應力場的計算中，以有效應力集中系數預測模型為基礎，通過試驗對計算方法的有效性進行了分析。

焊接鋼結構；疲勞強度；壽命預測理論

焊接是當前鋼結構最主要的一種連接方式，它不會削弱構件的截面，可以有效節省鋼材，其構造也非常簡單，加工過程非常容易，可以實現自動化生產，現在焊接鋼結構已經在橋梁、建筑及機械等多領域中得到了廣泛應用。隨著我國近年來社會經濟的發展，焊接鋼結構已經在高層及超高層建筑領域中發揮了重要作用，然而焊接鋼結構焊縫往往存在未焊透、咬口等一系列幾何缺陷，從結構上來看，在交變荷載作用的影響下，焊接鋼結構可能會在焊縫周圍出現疲勞裂紋，為人們的生命財產安全造成了嚴重的威脅。

1　疲勞壽命預測方法

1.1名義應力法

所謂名義應力法是指以名義應力作為控制參數，利用疲勞試驗的方式獲得名義應力疲勞壽命曲線，按照損傷法預測構件的疲勞壽命。該方法的基礎為疲勞試驗，疲勞試驗的可靠度非常高，當前已經在各種工程建設中得到了廣泛應用。利用這種方式獲得的疲勞壽命是總周明，按照疲勞壽命的不同，可以分成無限和有限壽命法。

1.2局部應力應變法

在幾何變化的局部范圍內，構件存在應力集中的現象，應力集中的這些部位通常會產生塑性變形，進而產生疲勞裂紋，因此構件疲勞強度與壽命的主要影響因素為應力應變集中區域局部應力與應變。基于這種思想，局部應力應變法儀局部的應力與應變參數對疲勞壽命進行預算。

1.3斷裂力學法

這種方法以線彈性斷裂力學作為主要基礎，將材料內部的缺陷看做裂紋，按照材料在使用荷載下的裂紋擴展性質對其剩余壽命進行預測。從斷裂力學法的觀點上來看，構件內部的裂紋是不能避免的，但是只要采取適當的措施進行控制，就可以保證其工作的安全性，也可以說這種裂紋是允許存在的。

1.4損傷力學法

現在連續介質損傷力學已經成為固體力學領域中嶄新的研究方法，損傷概念引入進來以后，人們試圖利用連續損傷場來描述金屬材料的位錯、空位及裂紋等內部缺陷，描述其對材料本構關系的影響，并從不可逆熱力學原理的角度出發，建立起基于損傷力學本構及損傷動力學的關系。利用損傷力學理論對疲勞壽命進行預測，充分考慮了損傷發展的非線性性質，從理論上來看更加完善。

2　焊接鋼結構疲勞性能的影響因素

2.1應力集中

通常情況下焊接鋼結構的形狀是比較復雜的，同時焊接鋼結構集合變化位置產生的應力也往往比名義應力大很多，這種情況下疲勞裂紋會從結構局部應力位置開始集中。通常情況下在焊接結構中，結構幾何變化主要包括結構整體幾何變化和焊縫局部幾何變化兩個方面。

2.2尺寸效應

大量試驗證實，構件尺寸不同其疲勞強度也不同，隨著構件尺寸的增加疲勞強度在不斷下降，由此可見，構件疲勞強度存在尺寸效應。其定量描述可以利用尺寸系數著來表示，其定義為：如果應力集中情況相同時，那么尺寸為d的試樣，其疲勞極限和標準試樣的疲勞極限比值為：

式中：滓-1d是尺寸為d的構件，在對稱循環時的疲勞極限；滓-1為尺寸為d0的構件，在對稱循環時的疲勞極限。通過相關試驗研究可以看出：引起尺寸效應的主要因素為加工和比例因素。

2.3平均應力

對于焊接鋼結構疲勞壽命來說，應力幅起到了決定性的作用，同時，平均應力也是非常重要的影響因素。通常情況下，某一給定的應力水平，其平均應力越大時應力比越大，同時疲勞壽命呈現出下降的趨勢，平均拉應力的存在使得疲勞強度大大降低，同時疲勞強度得到了相應的提高。

2.4殘余應力

焊接殘余應力是因為加熱不均勻造成的，在焊接過程中，應為焊縫位置的溫度比較高，金屬機體約束焊縫得不到自由膨脹會出現內部壓應力，局部會出現塑性變形。而溫度降低以后，周圍約束如果不能自由收縮，內部將會出現拉應力，局部達到拉伸屈服極限。在遠離焊縫的地方會出現殘余壓應力，而其形成過程卻正好相反。

3　焊接鋼結構應力場數值計算理論研究

要想對焊接鋼結構疲勞強度進行研究，首先必須對結構內部應力應變場進行掌握。通常情況下，如果焊接結構需要對焊縫局部幾何形狀進行考慮，其幾何形狀必然十分復雜，一般需要利用彈性力學的幾何方程、平衡方程及物理方程等得到有關焊接鋼結構應力場的解析表達式。但是要想對焊接鋼結構應力應變長分布規律進行掌握，應該借助數值計算方法。

結構應力場數值的計算方法非常多，通常情況下有邊界元法、有限元法及有限差分法等，其中，有限元法之所以會在眾多優越性工程中得到應用，主要是因為其收斂性可以得到充分保證，同時其程序和剖分也比較規范。因為焊接鋼結構焊縫附近的幾何形狀非常復雜，焊縫周圍的應力狀態呈現出三維性質，因此，在其應力應變場計算過程中，通常會利用三維有限元法。為了保證有限單元可以更好的與焊縫復檢的幾何邊界相貼合，這種情況下可以利用幾種單元匹配，促進有限元計算結果精度的提高。

圖1為T型焊接板節點的局部網格剖分圖，從該圖中可以看出來，利用五面體和六面體三元相結合的方式，單元不會出現過分歪斜的現象，這種情況下展開計算，既不會出現閉鎖現象，同時計算精度也可以得到提高。將五面體6節點、15節點、6～15節點單元、六面體單元相結合，可以對焊接鋼結構應力場進行準確計算。

圖1　T型焊接板節點網格剖分示意圖

焊接鋼結構構件經常會存在表面裂紋，要想得到復雜結構表面裂紋的盈利前度因子，往往需要利用數值計算方法，利用有限元法對表面裂紋問題進行計算，需要耗費大量的工作量。線彈簧元提出以后，三維表面裂紋問題變得簡單化，轉化為含線彈簧的板殼問題，利用其對應力強度因子進行計算，可以大大減少計算工作量，且其解的精度也比較高。

4　焊接鋼結構疲勞強度與疲勞壽命預測的研究進展

從上文的描述中可以了解到，焊接鋼結構疲勞性能的影響因素非常多，例如結構的幾何形狀、焊縫局部幾何形狀、尺寸效應等，與一般金屬構件相比，焊接鋼結構疲勞存在其自身的特點，具體表現在以下方面：淤焊縫局部范圍內出現幾何形狀變化，會使應力分布變得更加復雜，應力集中表現會更加明顯；于焊縫周圍存在咬邊等缺陷，這些地方會出現裂紋并進一步擴展；盂焊接過程中會出現殘余應力，焊接鋼結構疲勞強度將會與普通構件出現較大區別。

面對以上焊接鋼結構疲勞特點，當前國內外針對這方面展開了大量研究，提出了最壞切口的概念，還利用試驗方法針對錯位量對接頭疲勞程度的影響展開了分析，證明了焊縫集合尺寸對應力強度存在明顯影響。

焊接過程中產生的殘余應力和接頭形式、焊接熱源等直接相關，其分布形式非常復雜，人們針對焊接殘余應力對疲勞強度帶來的影響已經展開了很多研究，已經充分認識到了這種影響非常明顯。但是因為殘余應力分布本身存在一定的復雜性，這種復雜性對疲勞損傷存在一定影響，當前這方面的研究還不清楚。近年來人們從殘余應力的產生角度著手，利用數值方法對焊接過程進行模擬，獲得了一些成就。

5　結語

本文討論的重點在于焊接鋼結構疲勞強度與壽命預測的理論上，以期為實際工程建設提供有效依據。焊接鋼結構疲勞性能的影響因素非常多，從理論角度上來看，要想對這些影響因素進行描述是非常復雜的，本文從焊接鋼結構應力場等角度出發，對疲勞強度與壽命預測方法展開了分析與研究。焊接鋼結構疲勞強度與壽命預測研究的應用價值非常高，雖然當前已經取得了一些成果，但是因為焊接鋼結構疲勞性能的影響因素非常多，還有很多問題需要展開進一步研究。

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TU391

A

1673-0038（2015）49-0156-02

2015-12-11

彭各（1980-），男，工程師，本科，主要從事軌道交通鋼制品、鋼結構項目管理方面的工作。