1、 圖3變幅應(yīng)力循環(huán)的譜試驗(yàn)結(jié)果證明，影響鋼材疲勞強(qiáng)度的主要因素是應(yīng)力集中、作用的應(yīng)力幅和應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)，而與鋼材的靜力強(qiáng)度無關(guān)（但與鋼材的質(zhì)量有關(guān)）。應(yīng)力集中對(duì)疲勞強(qiáng)度影響最大，應(yīng)力集中以截面幾何形狀突然改變處最為明顯。但對(duì)沒有截面改變的鋼材,也存在著微觀裂紋引起的應(yīng)力集中的因素，如焊接結(jié)構(gòu)及其附近主體金屬中的氣孔、裂紋、夾渣等缺陷，以及易產(chǎn)生缺陷的焊縫趾和焊縫端部；非焊接結(jié)構(gòu)的孔洞、刻槽；鋼材內(nèi)部的偏析、非金屬夾雜；制造過程中剪切、沖孔、切割等；同時(shí)還有熱軋和焊接時(shí)產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力,尤其是后者對(duì)疲勞強(qiáng)度影響更大。根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果,可將構(gòu)件和連接形式按應(yīng)力集中的影響程度由低到高分為8類。第一類

2、為基本無應(yīng)力集中影響的無連接處的主體金屬，第8類則為應(yīng)力集中最嚴(yán)重的角焊縫。2提高疲勞性能的措施一一消除應(yīng)力集中（1）鋼材選用我國規(guī)范對(duì)鋼材選用采取規(guī)定鋼號(hào)和保證項(xiàng)目的辦法?？紤]的因素有：（1）是否焊接結(jié)構(gòu)；（2）是否承受動(dòng)力荷載；（3）是否處于低溫。對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)，鋼材質(zhì)量要求得比非焊接結(jié)構(gòu)嚴(yán)格。關(guān)于保證項(xiàng)目必須符合有關(guān)要求,。這里著重討論鋼號(hào)問題。（1）焊接構(gòu)件的要求高于鉚接構(gòu)件：鉚接重級(jí)工作制吊車梁，當(dāng)計(jì)算溫度高于一20C時(shí)可以采用Q235沸騰鋼，同樣條件下的焊接吊車梁則必須采用Q235鎮(zhèn)靜鋼或低合金鋼（2）重級(jí)工作制構(gòu)件高于中輕級(jí)工作制構(gòu)件，處于低溫工作的構(gòu)件要求高：對(duì)于處在低溫的其他結(jié)

3、構(gòu)，材料也要求嚴(yán)格，如50t以上的中級(jí)工作制焊接吊車梁，當(dāng)計(jì)算溫度高于一20C時(shí)可以采用Q235沸騰鋼，而當(dāng)計(jì)算溫度等于或低于一20C時(shí)，則應(yīng)該用Q235鎮(zhèn)靜鋼。（3）承受動(dòng)力荷載的構(gòu)件要求高于承受靜力荷載的構(gòu)件。前者除荷載循環(huán)次數(shù)少，或荷載小，或非焊接結(jié)構(gòu)外，都要求用鎮(zhèn)靜鋼，并保證沖擊韌性；后者除在溫度低達(dá)一30C的情況外都可以用沸騰鋼,且不論溫度是否低于-30C都不要求保證沖擊韌性。我國規(guī)范不足之處，是沒有把焊接結(jié)構(gòu)的選材和鋼材厚度相聯(lián)系。歐洲的一些鋼材選用的規(guī)定,考慮因素多而細(xì)致。比如把應(yīng)力狀態(tài)分為三個(gè)等級(jí),鋼板厚度每差15mm為一個(gè)等級(jí)，氣溫分為一10C和一10至一30C兩級(jí),還把構(gòu)件

4、的重要性分為兩級(jí)。把這些級(jí)別綜合起來，選定構(gòu)件材料的質(zhì)量等級(jí)。材料等級(jí)分為1d、B、c、D四級(jí)，以沖擊試驗(yàn)的溫度為準(zhǔn)。（2）工藝措施鋼結(jié)構(gòu)的焊縫必須嚴(yán)格控制質(zhì)量。為此,國家標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范規(guī)定了焊縫質(zhì)量檢查的方法，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和容許存在的缺陷。焊縫的焊趾部位時(shí)常存在肉眼不能發(fā)現(xiàn)的咬邊，深度約在0.25mm左右，并有焊渣從這里侵入。焊趾的咬邊起著切口的效應(yīng)，對(duì)疲勞壽命很不利。工藝措施的目的就在于消除切口,緩和應(yīng)力集中，或是在表層形成壓縮殘余應(yīng)力。目前采用的主要方法有打磨法,、TIG法和錘擊法，其中打磨工藝比較簡(jiǎn)單，但效果不很理想，錘擊法效果最好。用砂輪打磨以除去焊趾咬邊，可以改善橫向受力

5、時(shí)的疲勞性能。圖4給出打磨的具體要求。左側(cè)所示打磨雖然使幾何形狀的改變有所緩和，但未能消除切口這一隱患，因此是不正確而無效的。必須如右側(cè)所示,不僅把切口完全除去，并且還要再磨去0.5mm除去侵入熔化金屬的焊渣。當(dāng)然，母材磨去深度d不應(yīng)過大，不應(yīng)超過2mm或板厚的5%，打磨時(shí)應(yīng)避免使焊縫有效厚度受到削弱。此外，還應(yīng)注意，打磨留下的痕紋應(yīng)平行于受力方向而不是垂直于受力方向。圖4打磨咬邊對(duì)接焊縫（圖5）在焊跟、焊縫快陷及焊縫余高的焊趾等部位，具有嚴(yán)重的應(yīng)力集中,它們是疲勞裂紋開展的根源。焊縫余高的大小對(duì)焊縫的疲勞強(qiáng)度也有很大影響。試驗(yàn)表明,焊縫余高的夾角愈小，則應(yīng)力集中愈大,疲勞強(qiáng)庭愈低。因此，對(duì)直

6、接承受重復(fù)荷載作用的對(duì)接焊縫連接,除了要進(jìn)行無損檢驗(yàn)，使其符合鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范外，還要對(duì)焊縫表明進(jìn)行加工，磨去余高，以消除焊趾處的缺口效應(yīng)。經(jīng)過這些處理后,對(duì)接焊縫連接的疲勞性能將顯著改善。但是沒查出的微觀裂紋以及規(guī)范容許的少量氣孔、夾渣等還可能殘存，它們也將是疲勞裂紋發(fā)展的起點(diǎn)，對(duì)接焊縫的耐疲勞性能,仍低于無應(yīng)力集中的主體金屬軌制邊或刨邊這一點(diǎn)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的容許應(yīng)力幅中都有反映?？v向焊縫的焊波皺紋常發(fā)生在施焊時(shí)更換焊條處）,垂直于力的作用方向，類似糟口,對(duì)疲勞不利,也應(yīng)加工磨平。圖5對(duì)接焊縫的疲勞破壞位置TIG法是使用鎢極氣體保護(hù)電?。═ungsten-inertgasarc

7、）使焊趾部位重新熔化。這種鎢極弧不會(huì)在趾部產(chǎn)生咬邊和焊渣侵入，只要重新熔化的深度足夠，原有切口及悍渣都可以消除，并且還可以形成平緩的幾何形狀變化。采用這種方法在不同應(yīng)力幅情況下疲勞強(qiáng)度都能提高。圖6給出了帶縱肋的16Mn鋼板，焊縫繞肋板圍焊時(shí)，用TIG法提高疲勞強(qiáng)度的情況。鍾擊法是用帶硬質(zhì)圓頭的風(fēng)動(dòng)工具撞擊焊趾,或是嘖射鋼丸（直徑0.5或1mm）來連續(xù)撞擊焊趾。它的效果是金屬的表層在沖擊性的錘打作用下趨于向側(cè)向擴(kuò)張，從而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，使疲勞強(qiáng)度提高。除上述三種方法外，還可以采用局部加熱法，即在焊縫兩旁用氧氣加熱，使加熱處在冷卻后產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力,而焊趾處則產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。圖7給出了采用不同工藝

8、措施處理后的效果對(duì)比。由圖可見，單頭錘擊的效果最好。改善焊縫性能的工藝措施目前還在發(fā)展，一般規(guī)范對(duì)此還未作出規(guī)定。*輸*輸*審疋飩器kS.%誼擊TLG圖6TIG法提高疲勞強(qiáng)度圖7工藝措施效果對(duì)比此外，應(yīng)嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)對(duì)制造所提出的技術(shù)工藝要求，例如盡量避免使材料出現(xiàn)應(yīng)變硬化，因剪切、沖孔而造成的局部硬化區(qū),要通過擴(kuò)鉆和刨邊來除掉；要正確地選用焊接工藝,保證焊接質(zhì)量，不在構(gòu)件上任意起弧、打火和錘擊，必要時(shí)可用熱處理的方法消除重要構(gòu)件中的焊接殘余應(yīng)力，重要部位的焊接，要由有經(jīng)驗(yàn)的焊工操作，要嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量檢驗(yàn)制度等。構(gòu)造措施疲勞計(jì)算之所以要把構(gòu)件連接分為8類，原因在于應(yīng)力集中的程度不同。應(yīng)力集中在焊接

9、結(jié)構(gòu)中因焊接缺陷而產(chǎn)生，也因構(gòu)造形式而引起。焊接缺陷必須通過控制施工質(zhì)量和采取工藝措施I來消除，而構(gòu)造形狀改變則可以通過構(gòu)造措施使之緩和。圖8桁架節(jié)點(diǎn)承受反復(fù)荷載作用的結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造應(yīng)注意選用應(yīng)力集中不嚴(yán)重的方案。比如一塊受軸力的板需要拼接時(shí)，能用對(duì)接焊縫解決就不用拼接板加角焊縫的辦法。因?yàn)橛闷唇影宓姆桨笇儆诘?類，而用對(duì)接焊縫的方案重至少可以達(dá)到第3類。在必要的時(shí)候還可以把對(duì)接焊縫的余高磨去，則進(jìn)一步上升為第2類。構(gòu)造要合理，能均勻、連續(xù)、平順地傳力，避免構(gòu)件截面劇烈變化。必要時(shí)用圓弧過渡(圖8)。當(dāng)必須采用應(yīng)力集中比較嚴(yán)重的方案時(shí)，應(yīng)盡量把應(yīng)力集中部位放在低應(yīng)力區(qū)。當(dāng)焊接I形截面梁采用雙層翼

10、緣板時(shí)，經(jīng)常采用圖9所示的外層翼緣緣截?cái)嗟臉?gòu)造方式。因?yàn)楹?jiǎn)支梁的彎矩總是從中部逐漸向支座處減小，當(dāng)彎矩減小到一定程度,外層翼緣板就可以截?cái)?。圖所示的梁,按照抵抗彎矩的需要，外層翼緣在A點(diǎn)就可以截?cái)?。但是如果A點(diǎn)處按第7類連接計(jì)算疲勞不滿足要求，則需把板適當(dāng)延長(zhǎng)，延至疲勞計(jì)算不控制梁的截面尺寸處，如圖所示的B點(diǎn)。外層翼緣延長(zhǎng)雖然多用一些材料，但比起梁的內(nèi)層翼緣板全長(zhǎng)都增大只寸還是節(jié)省。需要延長(zhǎng)的只是受拉翼緣的飯，受壓翼緣并不需要延長(zhǎng)。圖9外層翼緣板的延長(zhǎng)要盡量選用剛度均勻的方案，焊縫連接處構(gòu)件的不均勻剛度,導(dǎo)致焊縫的變形和應(yīng)力分布不均,必然影響連接的疲勞性能。例如圖10所示工字形牛腿與鋼柱用角焊

11、縫的連接，牛腿端部有彎矩M和剪力V用。在圖10a中，由于柱翼緣變形,牛腿端部截面不能保持平面變形，牛腿翼緣的應(yīng)力也就不可能均勻分布。如果在牛腿翼緣端部柱子腹板上設(shè)置橫向加勁肋（圖10b），便能改善應(yīng)力分布，提高連接的疲勞性能。圖10構(gòu)件剛度對(duì)疲勞性能的影響角焊縫（圖11）在角焊縫的焊跟和焊趾處，有嚴(yán)重的應(yīng)力集中，裂紋從這里開后，向焊縫內(nèi)部或主體金屬擴(kuò)展。側(cè)面角焊縫因兩端應(yīng)力集中嚴(yán)重，疲勞破壞從端部開始。圖11角焊縫的疲勞破壞位置正面角焊縫的疲勞強(qiáng)度與焊趾處焊邊夾角有關(guān),愈小，角焊縫的應(yīng)力集中系數(shù)愈小圖12）,則疲勞強(qiáng)度愈高。由于角焊縫傳力曲折，應(yīng)力集中嚴(yán)重,為改善耐疲勞性能,角焊縫表面應(yīng)加工成直線或凹形,焊腳尺寸比例應(yīng)保持正面角焊縫為1：1.5（長(zhǎng)邊順內(nèi)力方向）,側(cè)面角焊縫為1：1（圖13）。即使如此,角焊縫有效截面的疲勞強(qiáng)度仍較低，規(guī)范規(guī)定為8類。因此，直接承受動(dòng)力荷載的連接，應(yīng)盡量避免采用角焊縫。當(dāng)必須采用角焊縫時(shí),要進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。圖12與應(yīng)力集中系數(shù)的關(guān)系圖13角焊縫的形狀圖14全熔透的K型焊縫T形連接可以用角焊縫，用部分熔透或全熔透的K型焊縫構(gòu)成。前二者疲強(qiáng)度很低。全熔透的K型焊縫（圖14）的性能與對(duì)接焊縫的相同，在經(jīng)過加工，無損檢驗(yàn)后，疲勞強(qiáng)度較高，宜用于直接承受動(dòng)力荷載的T形連接。不論對(duì)接焊縫或角焊縫，它們的疲勞強(qiáng)度都比母材的為低