焊缝应力集中对复杂焊接构件疲劳强度的影响

李斌华

(忻州市建筑设计院，山西忻州 034000)

1 概述

钢结构凭借其自重轻、力学性能优良、施工便捷等优点，被很多要求大跨度、大空间、快速施工建设的建筑形式所采用，如:悬索钢桥、艺术球形节点钢结构网架、球形网壳体育馆等，这就使得我们对其结构性能和安全性能的分析变得尤为重要。与过去钢结构构件的铆接、螺栓连接相比较，由于焊接连接方式具有:优化构件截面，节省钢材，构造简单，易于加工，连接性能好，刚度大，便于采用自动化生产等优点，而得到越来越广泛的应用。

复杂焊接结构一般具有:1)几何形状异型、构件多、尺寸厚度大、构造复杂;2)焊缝尺寸长、相互交错、种类繁多;3)焊缝多由对接焊缝与角接焊缝等组合而成;4)现场施工条件差，焊缝检查不同步，保证焊缝质量的难度大;5)整体结构的内力复杂，构件多处于多向应力状态;6)构件内部包含多种缺口效应，造成该处疲劳强度降低较多。综上可看出，复杂焊接结构的整体力学性能，大多受到焊接焊缝性能的影响。假定焊接焊缝将各构件紧密连接成结构整体，并无内部应力缺陷，这时，结构的整体力学性能分析就变为简单的理想刚件组合结构分析。因此，对焊接焊缝性能的分析，就成为结构整体性能分析的基础。

2 焊缝应力集中对结构疲劳强度的影响

由于焊接结构在几何形状变化处产生的局部应力比名义应力大得多，因此疲劳裂纹首先从这些局部应力集中处生成。研究这些部位的应力集中，将有助于了解焊接结构的疲劳破坏性质。

1)焊接接头类型的影响。

焊接接头主要分为:对接接头、十字接头、T形接头及搭接接头。这些接头处的传力线受到扰动，从而产生应力集中(见图1)。

图1 焊接接头疲劳极限—应力比关系图

对接接头处的力线扰动较小，从而产生的应力集中系数较小，其具有较高的疲劳强度;十字接头与T形接头处，由于在焊缝方向的金属过渡处发生较大的截面变化，应力集中系数较对接接头高，相应的其疲劳强度较低;搭接接头处，由于采用了加强盖板，力线发生较大曲变，明显降低了其疲劳强度。

2)焊缝几何形状的影响。

所有接头类型均由角焊缝和对接焊缝来完成连接，焊缝的尺寸不同，相应的应力集中系数也不相同，使得疲劳强度产生明显的分散性。

Soete，Van Crombrugge选取15 mm板，采用不同的角焊缝施焊，在轴向疲劳荷载下的试验发现，焊缝的焊角小于13 mm时，疲劳断裂发生在焊缝中;当焊角大于18 mm时，疲劳断裂发生在母材中(见图2)。据此，提出了极限焊角尺寸:

其中，S为焊角尺寸;B为板厚。

图2 低碳钢搭接接头的疲劳极限对比

Yamaguchi等人建立了疲劳强度和基本金属与焊缝金属之间过渡角的关系。试验中，焊缝宽度(W)和焊缝加强高度(h)变化时，如果夹角(h/W)保持不变时，疲劳强度也保持不变;当焊缝宽度保持不变时，增加焊缝加强高度，接头处的疲劳强度降低，这是夹角发生变化导致的。这都表明，焊缝的形状对接头的疲劳强度影响比较明显。

3)焊接缺陷的影响。

a.裂纹。取W=60 mm，B=13 mm，低碳钢对接接头试件中，当焊缝中裂纹达到截面积10%时，在交变荷载作用下，试件的疲劳强度较低55%～65%(W为试件宽，B为试件厚度)。

b.未焊透。其削弱了截面面积，引起较大的应力集中。当削弱面积达到10%时，构件的疲劳强度降低了25%。

c.咬边。通常将咬边深度与板厚的比值(h/B)作为评定接头疲劳强度的重要参数。

d.气孔。气孔减小了焊缝界面尺寸，从而降低了连接处的疲劳强度，表面或表层下气孔对接头疲劳强度具有最不利影响。

e.夹渣。夹渣作为体积类缺陷，较气孔对接头疲劳强度影响更大。

3 改善结构疲劳强度的措施

焊接结构疲劳裂纹，多从焊根、焊趾部位处开始延伸，假设我们能够抑制焊根部位疲劳裂纹的产生及延伸，则焊接结构的疲劳裂纹发生的薄弱位置将集中到焊趾处。对于提高焊接结构的疲劳强度，可通过下列一些方法来进行改善:降低、减小焊缝焊接时的缺陷，尤其是开口缺陷;最大程度的保护焊缝焊接的截面几何尺寸、面积，从而降低该处的应力集中系数;控制焊接时的残余应力场，保留相对有利的残余压缩应力场(见图3，图4)。

图3 改善措施（一）

图4 改善措施（二）

4 结语

参照欧洲标准《钢结构的疲劳设计规范》中提出的:“疲劳裂纹很少在远离焊接细节和连接处的平坦的母材上形成，尽管连接处的静强度超过被连接件的静强度，然而连接处仍是疲劳评估的最重要部位”;“裂纹一般在焊缝或靠近焊缝处、横截面突变处或节点偏心处形成，避免发生疲劳问题的最有效的途径，是仔细地进行连接的细部设计和制造”。因此，针对复杂焊接结构的疲劳研究，还应从大量试验室数据中着重分析焊缝焊接时对构件的热影响、焊缝的残余应力及焊接缺陷。也正是这些部位力学性能的削弱导致了局部应力偏大、应力流偏转较强、应力集中比较严重，进而成为结构抗疲劳性能的薄弱位置。

［1］霍立英.焊接结构的疲劳破坏行为及评定［M］.北京：机械工业出版社，2000.

［2］徐 灏.疲劳强度［M］.北京：高等教育出版社，1988.

［3］杨新岐，张新艳，霍立兴，等.焊接接头疲劳评定局部法研究进展［J］.机械强度，2003，25(6)：93-95.

［4］徐永春，郑荣跃，王者静，等.基于断裂力学的机械结构构件焊接节点疲劳性能研究［J］.中国机械工程，2005，15(24)：91-93.