焊接钢结构疲劳强度与寿命预测理论的探讨

彭各

（重庆市轨道交通（集团）有限公司重庆　401121）

焊接钢结构疲劳强度与寿命预测理论的探讨

彭各

（重庆市轨道交通（集团）有限公司重庆401121）

本文利用三维有限元理论，提出了基于五面体单元的积分处理方法，将其应用到焊接航结构应力场的计算中，以有效应力集中系数预测模型为基础，通过试验对计算方法的有效性进行了分析。

焊接钢结构；疲劳强度；寿命预测理论

焊接是当前钢结构最主要的一种连接方式，它不会削弱构件的截面，可以有效节省钢材，其构造也非常简单，加工过程非常容易，可以实现自动化生产，现在焊接钢结构已经在桥梁、建筑及机械等多领域中得到了广泛应用。随着我国近年来社会经济的发展，焊接钢结构已经在高层及超高层建筑领域中发挥了重要作用，然而焊接钢结构焊缝往往存在未焊透、咬口等一系列几何缺陷，从结构上来看，在交变荷载作用的影响下，焊接钢结构可能会在焊缝周围出现疲劳裂纹，为人们的生命财产安全造成了严重的威胁。

1　疲劳寿命预测方法

1.1名义应力法

所谓名义应力法是指以名义应力作为控制参数，利用疲劳试验的方式获得名义应力疲劳寿命曲线，按照损伤法预测构件的疲劳寿命。该方法的基础为疲劳试验，疲劳试验的可靠度非常高，当前已经在各种工程建设中得到了广泛应用。利用这种方式获得的疲劳寿命是总周明，按照疲劳寿命的不同，可以分成无限和有限寿命法。

1.2局部应力应变法

在几何变化的局部范围内，构件存在应力集中的现象，应力集中的这些部位通常会产生塑性变形，进而产生疲劳裂纹，因此构件疲劳强度与寿命的主要影响因素为应力应变集中区域局部应力与应变。基于这种思想，局部应力应变法仪局部的应力与应变参数对疲劳寿命进行预算。

1.3断裂力学法

这种方法以线弹性断裂力学作为主要基础，将材料内部的缺陷看做裂纹，按照材料在使用荷载下的裂纹扩展性质对其剩余寿命进行预测。从断裂力学法的观点上来看，构件内部的裂纹是不能避免的，但是只要采取适当的措施进行控制，就可以保证其工作的安全性，也可以说这种裂纹是允许存在的。

1.4损伤力学法

现在连续介质损伤力学已经成为固体力学领域中崭新的研究方法，损伤概念引入进来以后，人们试图利用连续损伤场来描述金属材料的位错、空位及裂纹等内部缺陷，描述其对材料本构关系的影响，并从不可逆热力学原理的角度出发，建立起基于损伤力学本构及损伤动力学的关系。利用损伤力学理论对疲劳寿命进行预测，充分考虑了损伤发展的非线性性质，从理论上来看更加完善。

2　焊接钢结构疲劳性能的影响因素

2.1应力集中

通常情况下焊接钢结构的形状是比较复杂的，同时焊接钢结构集合变化位置产生的应力也往往比名义应力大很多，这种情况下疲劳裂纹会从结构局部应力位置开始集中。通常情况下在焊接结构中，结构几何变化主要包括结构整体几何变化和焊缝局部几何变化两个方面。

2.2尺寸效应

大量试验证实，构件尺寸不同其疲劳强度也不同，随着构件尺寸的增加疲劳强度在不断下降，由此可见，构件疲劳强度存在尺寸效应。其定量描述可以利用尺寸系数着来表示，其定义为：如果应力集中情况相同时，那么尺寸为d的试样，其疲劳极限和标准试样的疲劳极限比值为：

式中：滓-1d是尺寸为d的构件，在对称循环时的疲劳极限；滓-1为尺寸为d0的构件，在对称循环时的疲劳极限。通过相关试验研究可以看出：引起尺寸效应的主要因素为加工和比例因素。

2.3平均应力

对于焊接钢结构疲劳寿命来说，应力幅起到了决定性的作用，同时，平均应力也是非常重要的影响因素。通常情况下，某一给定的应力水平，其平均应力越大时应力比越大，同时疲劳寿命呈现出下降的趋势，平均拉应力的存在使得疲劳强度大大降低，同时疲劳强度得到了相应的提高。

2.4残余应力

焊接残余应力是因为加热不均匀造成的，在焊接过程中，应为焊缝位置的温度比较高，金属机体约束焊缝得不到自由膨胀会出现内部压应力，局部会出现塑性变形。而温度降低以后，周围约束如果不能自由收缩，内部将会出现拉应力，局部达到拉伸屈服极限。在远离焊缝的地方会出现残余压应力，而其形成过程却正好相反。

3　焊接钢结构应力场数值计算理论研究

要想对焊接钢结构疲劳强度进行研究，首先必须对结构内部应力应变场进行掌握。通常情况下，如果焊接结构需要对焊缝局部几何形状进行考虑，其几何形状必然十分复杂，一般需要利用弹性力学的几何方程、平衡方程及物理方程等得到有关焊接钢结构应力场的解析表达式。但是要想对焊接钢结构应力应变长分布规律进行掌握，应该借助数值计算方法。

结构应力场数值的计算方法非常多，通常情况下有边界元法、有限元法及有限差分法等，其中，有限元法之所以会在众多优越性工程中得到应用，主要是因为其收敛性可以得到充分保证，同时其程序和剖分也比较规范。因为焊接钢结构焊缝附近的几何形状非常复杂，焊缝周围的应力状态呈现出三维性质，因此，在其应力应变场计算过程中，通常会利用三维有限元法。为了保证有限单元可以更好的与焊缝复检的几何边界相贴合，这种情况下可以利用几种单元匹配，促进有限元计算结果精度的提高。

图1为T型焊接板节点的局部网格剖分图，从该图中可以看出来，利用五面体和六面体三元相结合的方式，单元不会出现过分歪斜的现象，这种情况下展开计算，既不会出现闭锁现象，同时计算精度也可以得到提高。将五面体6节点、15节点、6～15节点单元、六面体单元相结合，可以对焊接钢结构应力场进行准确计算。

图1　T型焊接板节点网格剖分示意图

焊接钢结构构件经常会存在表面裂纹，要想得到复杂结构表面裂纹的盈利前度因子，往往需要利用数值计算方法，利用有限元法对表面裂纹问题进行计算，需要耗费大量的工作量。线弹簧元提出以后，三维表面裂纹问题变得简单化，转化为含线弹簧的板壳问题，利用其对应力强度因子进行计算，可以大大减少计算工作量，且其解的精度也比较高。

4　焊接钢结构疲劳强度与疲劳寿命预测的研究进展

从上文的描述中可以了解到，焊接钢结构疲劳性能的影响因素非常多，例如结构的几何形状、焊缝局部几何形状、尺寸效应等，与一般金属构件相比，焊接钢结构疲劳存在其自身的特点，具体表现在以下方面：淤焊缝局部范围内出现几何形状变化，会使应力分布变得更加复杂，应力集中表现会更加明显；于焊缝周围存在咬边等缺陷，这些地方会出现裂纹并进一步扩展；盂焊接过程中会出现残余应力，焊接钢结构疲劳强度将会与普通构件出现较大区别。

面对以上焊接钢结构疲劳特点，当前国内外针对这方面展开了大量研究，提出了最坏切口的概念，还利用试验方法针对错位量对接头疲劳程度的影响展开了分析，证明了焊缝集合尺寸对应力强度存在明显影响。

焊接过程中产生的残余应力和接头形式、焊接热源等直接相关，其分布形式非常复杂，人们针对焊接残余应力对疲劳强度带来的影响已经展开了很多研究，已经充分认识到了这种影响非常明显。但是因为残余应力分布本身存在一定的复杂性，这种复杂性对疲劳损伤存在一定影响，当前这方面的研究还不清楚。近年来人们从残余应力的产生角度着手，利用数值方法对焊接过程进行模拟，获得了一些成就。

5　结语

本文讨论的重点在于焊接钢结构疲劳强度与寿命预测的理论上，以期为实际工程建设提供有效依据。焊接钢结构疲劳性能的影响因素非常多，从理论角度上来看，要想对这些影响因素进行描述是非常复杂的，本文从焊接钢结构应力场等角度出发，对疲劳强度与寿命预测方法展开了分析与研究。焊接钢结构疲劳强度与寿命预测研究的应用价值非常高，虽然当前已经取得了一些成果，但是因为焊接钢结构疲劳性能的影响因素非常多，还有很多问题需要展开进一步研究。

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TU391

A

1673-0038（2015）49-0156-02

2015-12-11

彭各（1980-），男，工程师，本科，主要从事轨道交通钢制品、钢结构项目管理方面的工作。