焊接钢管的疲劳研究

19世纪下半叶出现的焊接连接，20世纪20年代以后逐渐取代铆钉连接，成为钢管的主要连接方法。焊接结构可实现直接连接，不会削弱构件截面，构造较为简单，操作简便，在一定条件下可实现自动化操作，因而焊接结构被广泛运用于建筑、桥梁、机械、海洋等众多工程领域，在不锈钢产量中占比可达50%~60%，在工业发达国家这一比例更大。

虽然焊接结构有很多优点，但也有一些突出问题：①由于高温施焊，在所形成的焊接热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；②焊接残余应力和残余变形使受压构件承载能力降低，也会导致局部裂纹的产生与扩展，从而对结构的疲劳强度产生影响；③焊接钢管大多存在咬边、未焊透、裂纹等焊接缺陷，这些部位均会产生较强的应力集中，在交变荷载的作用下，疲劳裂纹会率先在这些区域附近萌生，随之扩展，最终产生疲劳破坏；④焊接结构在低温下易脆断。

目前，据不完全统计，80%左右的焊接钢管失效是由于焊接接头的疲劳破坏导致的。一般认为焊接结构疲劳失效断裂事故频发的原因主要有以下几点：

①目前越来越多的焊接结构要求承受动荷载，而焊接结构的动荷载设计并不完善，出现了许多设计不合理的焊接接头；②虽然焊接可实现与母材的等强连接，但在反复交变荷载作用下，其承载能力与母材相比较差，直接导致疲劳破坏一般发生于焊接接头附近。因此焊接钢管疲劳强度的研究对科研和工程都具有重要意义。长期以来，国内外学者与工程技术人员对焊接钢管的疲劳失效进行了大量深入地研究，推动了焊接结构的发展以及在工程领域的应用。

焊接钢管疲劳理论研究

1、S-N曲线

疲劳失效以前所经历的应力或应变循环称为疲劳寿命，一般用N来表示。外加应力水平越低，试样的疲劳寿命越长；外加应力水平越高，寿命越短。表示这种外加应力水平和疲劳寿命关系的曲线称为S-N曲线。对于结构钢而言，S-N曲线分为两段，倾斜段和水平段。倾斜段常用mS N C=表示，C和m为材料常数，也可采用lg lg lg m S N C+=表示。S-N曲线是国际上焊接结构疲劳寿命设计的基础。S-N曲线一般采用试验方法得到。德国工程师A.沃勒是第一个对疲劳强度进行系统试验的人，从1847年到1889年，他在斯特拉斯堡皇家铁路工作期间，对铁路车轴进行了循环应力下的疲劳试验。1850年他设计了旋转弯曲疲劳试验机，在全尺寸机车车轴的疲劳试验中认识到疲劳破坏存在一个应力幅极限值，当应力幅小于该值，疲劳就不会发生。在此基础之上，他首次提出了S-N曲线和疲劳极限的相关概念。他认为就疲劳而言，应力幅比平均应力更重要，这为疲劳的研究特别是常规疲劳强度设计奠定了基础。W.格伯和古德曼深入研究了平均应力不为零的疲劳破坏。1874年，W.格伯给出了不同应力比下的疲劳极限线图，称为格伯抛物线。1930年古德曼将疲劳极限线图进行简化，用直线来代替格伯抛物线，因其样式更为简单，至今仍在疲劳强度设计中使用。S-N曲线的测定常用单点法和成组法。单点法每级应力水平试验一根，成组法在每级应力下试验一组试样，具体试验方法可查阅文献。国内外针对不同焊接接头进行了大量的疲劳试验，各国规范引入这些试验结果，已建立了很多可供疲劳设计的S-N曲线。

2、累积损伤理论

第二次世界大战中，发生了多起飞机疲劳失事事故，使得金属材料在循环应力作用下的疲劳破坏成为突出问题，从而促进了疲劳累积损伤理论的发展。累积损伤理论到目前为止有几十种，一般分为三类：线性疲劳累积损伤理论、非线性疲劳累积损伤理论和其他理论。

焊接钢管疲劳评估方法研究

针对焊接结构，各国学者提出了多种疲劳评估方法，常用的方法有四种。Radaj将其分为两类，即整体法和局部法。整体法即名义应力法，局部法包括热点应力法、缺口应力法和断裂力学法。

（1）名义应力法

名义应力法又称为构造分类法。名义应力为结构构件相关截面计算得到的平均应力，包括了宏观几何形状的影响，但焊接接头细部构造所产生的应力集中不加考虑。名义应力的评定方法是采用简单公式计算焊接接头承载横截面上的名义应力，然后根据焊接接头的焊缝类型、形状、尺寸等因素从相关规范、图表中查找对应的疲劳级别参数，根据参数计算循环次数对应的疲劳极限，最后将名义应力与疲劳极限进行比对。

目前，基于名义应力的疲劳评估方法是各国规范广泛使用的方法。IIW[18]根据多种典型焊接接头的疲劳试验数据，给出多条S-N曲线（图1-3），定义2.0×10 6对应的疲劳强度为疲劳等级（FAT），循环次数在10 4~10 7之间的m（除FAT160）为3。EC3给出了14条S-N曲线，循环次数在10 4~5×10 6之间的m为3。我国《钢管设计标准》针对正应力幅疲劳分为14个类别，为Z1~Z14；针对剪应力幅疲劳分为3个类别，为J1~J3。BS5400将接头细节类别分为9个级别（BS7608[34]增加了T级），分别标识为B、C、D、E、F、F2、G、W、和S。名义应力法使用简单，概念明确，在焊接接头评估时只需要在标准中找到对应焊接接头和计算名义应力。其缺点是需要大量的焊接接头疲劳S-N曲线，且对于复杂结构，名义应力也不易确定。在国内外的焊接标准中均没有包含焊接空心球节点，使得焊接空心球节点的疲劳设计无据可依。

（2）热点应力法

在实际工程中，结构几何形状有时较为复杂，名义应力难以计算，加之实际焊接接头的焊缝类型、焊接工艺等较为复杂，也可能在规范中找不到对应的S-N曲线。为此，国际焊接学会引入热点应力法作为焊接结构的疲劳评估方法。热点应力法又称为几何应力法，是一种焊缝焊趾处的疲劳分析方法，首先在海上结构的焊接接头中应用

，目前该法已用于工程领域焊接结构的疲劳分析。热点应力可以采用有限元或试验方法测得。试验中测量离焊趾一定距离的应变，然后采用线性或二次外推得到，图1-4为管结构中热点应力的外推方法。有限元中可以采用沿表面[43]外推或厚度方向内推[37]等方法得到。IIW给出了图1-5中a、b两点的外推方法。

（3）缺口应力法

缺口应力法与前两种方法的不同之处在于它采用焊趾部位的缺口应力对疲劳部位进行评估，采用相应的缺口应力S−푁曲线。缺口应力为焊趾或焊根处的真实应力，在不考率残余应力和焊接缺陷的情况下，焊接接头疲劳破坏的唯一原因是焊趾处的应力集中。缺口应力为焊趾或焊根处的真实应力，这样可以将所有的焊接接头采用统一的缺口应力S−푁曲线。

缺口应力一般无法在试验中测量，只能采用有限元模拟的方法计算。目前应用广泛的是Radaj提出的虚拟缺口半径法。IIW[18]推荐板厚大于等于5mm，缺口半径取1mm；Kranz[56]建议板厚小于5mm，缺口半径采用0.05mm。IIW给出了缺口应力S-N曲线，FAT225。目前对于缺口应力法的研究主要是围绕FAT225是否合适展开。Pedersen等[57]通过对焊接接头的数据整理分析，认为FA225偏危险。Sonsino给出等效缺口应力条件下的FAT为200。严仁军等认为IIW的FAT225适用于角焊缝接头，对于对接接头偏危险。刘旭等认为FAT225偏不安全，建议采用FAT=272，m=5。廖小伟等[62]建议对于焊接质量满足抗疲劳设计要求的构造细节使用FAT200疲劳设计曲线。目前，缺口应力法难度较大，尚未达到广泛应用。

（4） 断裂力学法

断裂力学主要研究材料或者构件中带裂纹体的裂纹扩展与断裂。它是先假设存在一个初始的裂纹长度，然后选定扩展模型，计算出扩展到最终断裂的寿命。在焊接结构中不可避免的存在咬边、夹渣、孔洞等缺陷，将这些缺陷看作裂纹，可采用断裂力学的方法对其疲劳寿命进行评估，采用的参数一般为应力强度因子。对于特殊的含裂纹体，学者们得到了其闭合形式的解，并编制了应力强度因子手册。但实际工程中，焊接结构的裂纹情况和载荷情况复杂，获得闭合解非常困难，一般可以采用有限元来计算断裂参数。目前，裂纹前沿的断裂参数应力强度因子K、J积分、应变能释放率G都可以采用有限元方法求解。

在建筑结构钢的疲劳破坏过程中，裂纹尖端塑性区域较小，可运用线弹性断裂力学进行分析计算。宗亮等对Q345qD桥梁钢的母材和焊缝进行疲劳裂纹扩展速率试验，得到其不同应力比下疲劳裂纹扩展速率参数，为开展既有钢桥的疲劳评估给出参数选用建议。王春生等与卫星、姜苏将断裂力学用于钢桥的扩展和剩余寿命分析。王元清等与胡方鑫等将断裂力学用于钢梁柱节点的研究。刘博、童乐为将断裂力学用于焊接钢梁疲劳寿命预测。童乐为等将断裂力学用于焊接管节点的疲劳寿命预测。

综上各种焊接结构的疲劳评估方法，名义应力法应用最广泛，其对应的疲劳S-N曲线已包含了特定焊接接头的残余应力分布、焊接工艺、受力状态等。对于焊接结构的疲劳评估，建立特定焊接接头的疲劳S-N曲线仍然是最直接和最有效的方法。热点应力法的优点是考虑节点几何参数对疲劳性能的影响，断裂力学在焊接结构中得到应用，且估算寿命与试验寿命一致性较好。

本文从名义应力法出发，通过常幅疲劳试验得到焊接空心球节点钢管焊趾处的疲劳S-N曲线；从热点应力法出发分析焊接空心球节点钢管焊趾处的热点应力集中系数；采用断裂力学的方法对焊接空心球节点钢管焊趾处的疲劳寿命进行估算。