［摘要］本文分析了管結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)疲勞產(chǎn)生的原因，提出了管節(jié)點(diǎn)疲勞設(shè)計(jì)的方法和抗疲勞設(shè)計(jì)的一般原則
關(guān)鍵詞 管節(jié)點(diǎn) 疲勞設(shè)計(jì)
一、焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問題
1.疲勞現(xiàn)象
疲勞定義為由重復(fù)應(yīng)力引起裂紋緩慢擴(kuò)展而造成結(jié)構(gòu)部件的損傷。疲勞斷裂通常是一種低名義應(yīng)力破壞，它和脆性斷裂有許多相同或相近的特點(diǎn)，例如斷裂前性變形很小，斷口平齊。但其本質(zhì)與一般脆斷不同。對(duì)焊接結(jié)構(gòu)而言，在反復(fù)荷載作用下，焊接接頭的疲勞破壞占結(jié)構(gòu)破壞很大部分。究其原因一般有以下兩點(diǎn)：
（1）應(yīng)力集中的影響
焊接接頭的外型幾何變化以及因焊接而帶來的未溶合，未焊透、氣孔、夾碴、裂紋等焊接缺陷所形成的幾何不連續(xù)使焊縫區(qū)出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中，尤以焊處處突出。
（2）焊接殘余應(yīng)力的影響
焊接熱過程使焊接接頭周圍形成了自身平衡的縱向和橫向殘余應(yīng)力，其值在焊縫附近通常會(huì)達(dá)到材料的屈服點(diǎn)。殘余拉應(yīng)力的存在極易引發(fā)疲勞裂紋，同時(shí)疲勞裂紋的擴(kuò)展速率也可能因殘余拉應(yīng)力而增大。在焊接接頭中，應(yīng)力集中點(diǎn)經(jīng)常和高值的殘余拉應(yīng)力點(diǎn)重合，使疲勞問題更加突出。
2.疲勞強(qiáng)度
疲勞破壞一般分為裂紋萌生、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展和最終失穩(wěn)斷裂二個(gè)階段。焊接接頭的疲勞強(qiáng)度主要由以下兩點(diǎn)決定：
（1）裂紋萌生過程，它取決于焊縫的焊趾和焊根處的局部缺口應(yīng)力狀態(tài)；
（2）裂紋擴(kuò)展過程，它取決于裂紋（包括缺口效應(yīng)在內(nèi)）的應(yīng)力強(qiáng)度因子。
絕大多數(shù)焊接接頭的疲勞裂紋產(chǎn)生在焊趾處，其疲勞壽命主要由裂紋生長(zhǎng)擴(kuò)展決定。顯然接頭的最大缺口應(yīng)力和應(yīng)力強(qiáng)度因子決定其疲勞強(qiáng)度。按斷裂力學(xué)原理，缺口尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子可寫成
式中，y（c），y（a）為幾何修正系數(shù)，。σ為垂直于裂紋的名義應(yīng)力，2c為半橢圓形表面裂紋長(zhǎng)度，α為裂紋深度，α/c=e"。事實(shí)上，發(fā)生在焊縫處的疲勞裂紋多數(shù)都會(huì)進(jìn)入焊接熱影響區(qū)或母材之中，從實(shí)用出發(fā)，只要最大缺口應(yīng)力及應(yīng)力強(qiáng)度因子與構(gòu)件的基本名義應(yīng)力成正比，便可認(rèn)定它們?nèi)Q于相鄰母材的名義應(yīng)力而不取決于靜載作用下起決定性作用的焊縫名義應(yīng)力。
3焊接接頭疲勞強(qiáng)度分析方法
對(duì)焊接接頭疲勞強(qiáng)度而言，由于局部最大應(yīng)力實(shí)際上起著主導(dǎo)作用。因此焊接接頭的疲勞強(qiáng)度分析方法可有4個(gè)不同的層次：即名義應(yīng)力評(píng)定法、結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)定法、缺口應(yīng)力評(píng)定法和斷裂安全性評(píng)定法。這4種方法既可相互配合使用，又可各自單獨(dú)使用。
（1）名義應(yīng)力評(píng)定方法是用材料力學(xué)方法來確定構(gòu)件斷面上的名義應(yīng)力是否小于疲斷裂時(shí)的持久名義應(yīng)力。該方法是用得十分廣泛的基本方法。名義應(yīng)力寫作σN。
(2)結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)定方法要求除名義應(yīng)力外還應(yīng)采用解析或有限元法確定無缺口效應(yīng)的結(jié)構(gòu)非均勻應(yīng)力分布情況，又稱幾何應(yīng)力法或熱點(diǎn)應(yīng)力法（Hot spot strees）。熱點(diǎn)應(yīng)力指最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力或結(jié)構(gòu)中控制截面的危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力，寫作σG。
（3）缺口應(yīng)力評(píng)定法作分析時(shí)除名義應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力外，還應(yīng)確定焊趾和焊縫根部的應(yīng)力集中。在焊接結(jié)構(gòu)分析中迄今只用于某些特殊場(chǎng)合。
（5）焊接接頭疲勞設(shè)計(jì)方法
焊接接頭缺口等級(jí)的劃分取決于接頭形式、焊縫類型、加載情況和制造加工質(zhì)量以及缺陷狀況，通常以疲勞試驗(yàn)（而不是應(yīng)力分析）的結(jié)果為基礎(chǔ)。
a．應(yīng)力幅（應(yīng)力脈動(dòng)量）
b．細(xì)節(jié)分類
對(duì)不同的焊接頭給予特定的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)名稱，該類型既考慮了細(xì)節(jié)的局部應(yīng)力集中，可接受的最大不連續(xù)性尺寸和形狀，受力方向，冶金效應(yīng)，殘余應(yīng)力，疲勞裂紋形狀；在某些情況下還考慮了焊接工藝和焊后的改善處理。對(duì)于任一給定的細(xì)節(jié)類型，不同強(qiáng)度等級(jí)的鋼材疲勞強(qiáng)度間的差別很少，可略去不計(jì)。
c． S-N曲線
在給定應(yīng)力幅的情況下，特定細(xì)節(jié)類型的焊接接頭疲勞強(qiáng)度S與循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系可用S－N曲線來描述，S-N曲線需經(jīng)疲勞試驗(yàn)獲得。曲線上的每一特征點(diǎn)必須用8～12個(gè)試驗(yàn)條件完全相同的試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)，并有 97.7％的保證率。 S－N曲線上的應(yīng)力可為名義應(yīng)力（名義應(yīng)力幅），也可為結(jié)構(gòu)應(yīng)力（熱點(diǎn)應(yīng)力），S－N曲線法是疲勞設(shè)計(jì)是采用最多的方法。
對(duì)焊接接頭，常幅疲勞下的S-N曲線可寫作NS"＝C，一般取3～5，顯然不同細(xì)節(jié)類型的焊接接頭構(gòu)成S-N曲線組，其S直接采用應(yīng)力幅σ。
d變幅疲勞和疲勞積傷
為了估價(jià)變幅應(yīng)力的作用，采用Miner線性積傷假設(shè)。通過這個(gè)假設(shè)把疲勞的隨機(jī)加載（變幅疲勞）和常幅的S．N曲線聯(lián)系起來。線型積累損傷法認(rèn)為，當(dāng)不同施加的循環(huán)比的總和為1時(shí)，接頭就會(huì)發(fā)生破壞，寫成
式中，ni為在σi下的循環(huán)次數(shù)，Ni為在σi作用下破壞的循環(huán)次數(shù)。
二、管結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的疲勞
現(xiàn)代管結(jié)構(gòu)多采用主支管直接相貫焊接的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造型式。在節(jié)點(diǎn)中，荷載由支管直接傳給主管。由于支管的軸向剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主管的徑向剛度，支全管的相貫線成為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。該處不僅會(huì)出現(xiàn)很高的應(yīng)力集中（應(yīng)力集中系數(shù)可高達(dá)20）而且又存在有焊接缺陷和焊接殘余拉應(yīng)力，多種不利因素相疊加使管節(jié)點(diǎn)對(duì)交變荷載的抵抗能力較低，疲勞裂紋往往起源于高應(yīng)力區(qū)的初始缺陷處，常常在"熱點(diǎn)"附近由表面裂紋擴(kuò)展并穿透管壁，逐步擴(kuò)展而使節(jié)點(diǎn)破壞，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)承載力的喪失。近年來，隨著管結(jié)構(gòu)在海洋工程中海上平臺(tái)的大量使用，其節(jié)點(diǎn)靜力強(qiáng)度和疲勞壽命已經(jīng)成為管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要課題。合理的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及其設(shè)計(jì)方法引起了以美英為中心的歐美各國(guó)及日本的關(guān)注，共有40余個(gè)試驗(yàn)室進(jìn)行了管節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)的研究。我國(guó)也于1983年成立了海上平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)研究委員會(huì)》（TJCOS）就管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析、承載能力、疲勞設(shè)計(jì)方法及疲勞試驗(yàn)等方面開展了有效的工作。中國(guó)船級(jí)社于1992年正式頒布了"海上固定平臺(tái)八級(jí)與建造規(guī)范"對(duì)海上平臺(tái)管結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的靜力與疲勞設(shè)計(jì)有了明確的規(guī)定。這對(duì)于橋梁管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也有極好的參考價(jià)值。
1管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力
管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布是影響疲勞壽命的重要因素，它是進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
(1）名義應(yīng)力與沖剪應(yīng)力
管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分析以總體結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，按通常結(jié)構(gòu)力學(xué)方法確定桿件內(nèi)力，因此而求得的杯件截面應(yīng)力稱為名義應(yīng)力記作σn。多數(shù)情況下，名義應(yīng)力中軸向應(yīng)力最大，彎曲應(yīng)力次之，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力極小。一般節(jié)點(diǎn)中，2/3以上的應(yīng)力是支管軸力所引起，因而可以認(rèn)為支管僅受軸向力。支管向主管力的傳遞可假定由均勻分布的弦管剪力所承擔(dān)，稱為沖剪應(yīng)力Vp：
式中，θ為支管與主管的夾角，F(xiàn)a和Fb分別表示名義軸向應(yīng)力和名義彎曲應(yīng)力。沖剪應(yīng)力作用示意見圖1。
(2)．幾何應(yīng)力與局部應(yīng)力
弦管是支持支管的彈性基礎(chǔ)，在相貫線上，沿支管軸向剛度愈大，反作用力愈大。每一點(diǎn)上的反作用力可分解成弦管環(huán)向力和徑向力，前者主要引起中面應(yīng)力，后者則造成弦管彎曲應(yīng)力，弦管在交接線表面上的應(yīng)力是由這兩種應(yīng)力疊加而成，稱為幾何應(yīng)力。管節(jié)點(diǎn)最大幾何應(yīng)力通常在弦支管交線處于弦管一邊，發(fā)生的最大幾何應(yīng)力即為熱點(diǎn)應(yīng)力用σG表示。如果采用相應(yīng)的幾何應(yīng)力集中系數(shù)KG，則熱點(diǎn)應(yīng)力σG=KGσN，再考慮焊趾幾何型狀的影響，引入局部應(yīng)力集中系數(shù)KW，其局部應(yīng)力σL=KwσG，局部應(yīng)力σL還可以名義應(yīng)力σN表示，記為σL＝KGKW。熱點(diǎn)應(yīng)力示意見圖2
（3）省節(jié)點(diǎn)疲勞設(shè)計(jì)的應(yīng)力選擇
由于管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力組成和分布十分復(fù)雜，采用S－N曲線進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，首先，涉及其設(shè)計(jì)應(yīng)力S的選擇，對(duì)此，根據(jù)疲勞試驗(yàn)的情況，世界各國(guó)比較一致地認(rèn)為選用熱點(diǎn)應(yīng)力σG和相應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)KG比較合理。
（4）省節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分析
管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析可采用有限元法，試驗(yàn)分析法和幾何應(yīng)力參數(shù)法（無量細(xì)分析法）。有限元分析時(shí)，利用荷殼單元可直接求得結(jié)構(gòu)應(yīng)力口C。采用試驗(yàn)分析時(shí)需利用節(jié)點(diǎn)模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)幾何應(yīng)力。由于管節(jié)點(diǎn)的種類繁多，不可能對(duì)每一節(jié)點(diǎn)在多種荷載作用下均采用前兩種方法，因而可采用在有一定參數(shù)某礎(chǔ)L的無量綱l析法來確定幾何應(yīng)力集中系數(shù)比的表連式內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)，用以推求幾何應(yīng)力σG＝KGσN。
（5）管節(jié)點(diǎn)的疲勞裂紋
由于管節(jié)點(diǎn)的幾何形狀及應(yīng)力狀態(tài)均很復(fù)雜，管節(jié)點(diǎn)的疲勞裂紋一般出現(xiàn)在具有高應(yīng)力集中的主管熱點(diǎn)處的焊趾附近。首先出現(xiàn)～系列間距很接近的微裂紋，當(dāng)其增長(zhǎng)到幾毫米后，這些裂紋連接在一起形成以熱點(diǎn)為中心的單一裂紋。一般表面裂紋擴(kuò)展到60％周長(zhǎng)時(shí)，節(jié)點(diǎn)剛度仍然無顯著變化，直到裂紋貫穿主管壁厚，承載力喪失。
三、省節(jié)點(diǎn)的疲勞設(shè)計(jì)方法
1幾種實(shí)用的S－－N曲線
S-N曲線是管節(jié)點(diǎn)疲勞分析的密準(zhǔn)和疲勞累積損傷計(jì)算的基礎(chǔ)。對(duì)管結(jié)構(gòu)目前國(guó)際上通常使用的有美國(guó)石油學(xué)會(huì)（API）美國(guó)焊接學(xué)會(huì)（AWS），國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）歐洲鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)（ECh），挪威船級(jí)社（DNV）的S－N曲線。API推薦用熱點(diǎn)應(yīng)力，同時(shí)要求接沖剪應(yīng)力驗(yàn)算弦管的疲勞強(qiáng)度。對(duì)熱點(diǎn)應(yīng)力的確定可采用匕達(dá)三種方法中任一種。S－N曲線一般考慮了管節(jié)點(diǎn)的形式（TYK型）、焊接狀況（熔透型式，焊接形狀）、應(yīng)力種類（名義應(yīng)力σN。）。沖剪應(yīng)力Vp，熱點(diǎn)應(yīng)力σG（σG=KGσN）使用時(shí)必須根據(jù)這些因素來適當(dāng)選取。S-N曲線也可用數(shù)學(xué)表公式來描述，如API的曲線族N＝2,000,000（σR／σref)-m。曲線X和D"，E'分別適用T，Y，K型管節(jié)點(diǎn)采用熱點(diǎn)應(yīng)力和名義應(yīng)力來進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)；曲線K適用于K型、T型和Y型節(jié)點(diǎn)的沖剪應(yīng)力疲勞設(shè)計(jì)。要求節(jié)點(diǎn)焊縫為全焊透，外型光滑過渡到母材。
不難看出，X與廣曲線差別在于分別采用熱點(diǎn)應(yīng)力。和名義應(yīng)力。來設(shè)計(jì)，V相當(dāng)于N＝2000000時(shí) SN曲線上的應(yīng)力幅S，前者為 100MPa，后者為 40MPa，2．5倍之差即為應(yīng)力集中系數(shù)KG。而E'因采用部分溶透焊縫，應(yīng)力集中嚴(yán)重，其σN較之D'曲線更低，見表1。
我國(guó)海上固定平臺(tái)八級(jí)建造規(guī)份中S－N曲線也采用了數(shù)學(xué)表達(dá)式的型式。對(duì)比國(guó)外幾種不同規(guī)范的S－N曲線見圖3
（2）壁厚修正公式
S-N曲線一般是根據(jù)t＝15mm時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)而成，因結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度有隨壁厚增加
而下降的趨勢(shì)，若結(jié)構(gòu)壁厚超過規(guī)定的范圍則需要修正。
四、焊接接頭執(zhí)疲勞設(shè)計(jì)一般原則
對(duì)焊接接頭而言，良好的構(gòu)造細(xì)節(jié)和有效的焊接后處理措施將提高接頭疲勞壽命，是抵抗結(jié)構(gòu)疲勞破壞重要手段。在設(shè)計(jì)中～般應(yīng)遵循以下原則：
（l）構(gòu)件間的連接盡量避免剛度突然變化。
（2）優(yōu)先采用對(duì)接焊縫，盡可能不用角焊縫。承受反復(fù)應(yīng)力的焊縫宜采用連續(xù)焊縫。
（3）盡可能不采用偏心連接，避免不必要的附加應(yīng)力。
（4）潮焊縫（焊趾、焊根和焊縫端部敗于低應(yīng)力區(qū)，使缺口效應(yīng)盡量分析。
（5）一般不采用管節(jié)點(diǎn)加擇板的方式，以避免新的應(yīng)力集中。
（6）對(duì)省節(jié)點(diǎn)經(jīng)焊后處理可提高30％的名義應(yīng)力，目前歐美的規(guī)范已經(jīng)對(duì)焊后修磨焊修
外形作了具體規(guī)定。
（7）在特別危險(xiǎn)部位以螺栓接頭、鍛造連接件或鑄造件替代焊接接頭。
（8）消除能引起腐蝕的根部間隙。
