(1. 天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院,天津 300072;2. 中鐵十八局集團(tuán)有限公司,天津 300222;3.太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,太原 030024)
鑄鋼節(jié)點(diǎn)為整體鑄造而成,在保證節(jié)點(diǎn)質(zhì)量的基礎(chǔ)上,可避免節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的焊接,降低桿件交匯處的應(yīng)力集中,并具有較自由的外形和尺寸設(shè)計(jì),近年來(lái)已被廣泛應(yīng)用于大跨度空間結(jié)構(gòu)[1]、高速公路和鐵路橋梁、高聳結(jié)構(gòu)和海洋平臺(tái)。在這些結(jié)構(gòu)中,鑄鋼節(jié)點(diǎn)往往承受往復(fù)荷載作用(如:風(fēng)和車(chē)輛荷載、波浪和地震作用等),且可能在海水等腐蝕環(huán)境下服役,因此,疲勞問(wèn)題顯著。鑄鋼節(jié)點(diǎn)常與熱軋鋼管通過(guò)焊縫連接,焊接處由于不等壁厚和不同金屬的融合,成為鑄鋼節(jié)點(diǎn)的疲勞敏感部位,是疲勞控制的關(guān)鍵。
目前,關(guān)于鑄鋼節(jié)點(diǎn)對(duì)接焊縫的疲勞試驗(yàn)十分有限。Nussbaumer等[2]通過(guò)焊接板、焊接管的拉伸疲勞試驗(yàn)和大尺寸構(gòu)件的彎曲疲勞試驗(yàn),確定了疲勞發(fā)生的部位為受拉桿件的對(duì)接焊縫處;Veselcic等[3]對(duì)比了鑄鋼節(jié)點(diǎn)有無(wú)墊板等6種焊接細(xì)節(jié)對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響;Jin等[4]、靳慧等[5]對(duì)波浪荷載進(jìn)行處理后,用有限元軟件分析了波浪荷載作用下鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊縫的疲勞強(qiáng)度;Han等[6-7]通過(guò)試驗(yàn)得到了鑄鋼材料的疲勞參數(shù)和應(yīng)變比對(duì)疲勞性能的影響;鄒會(huì)[8]、董亮等[9]分別對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)不同形式帶墊板的V形坡口單面焊的小試件進(jìn)行了疲勞試驗(yàn),得到其在不同荷載下的S-N曲線(xiàn)和疲勞破壞模式;陳海洲等[10]以杭州灣跨海大橋海中平臺(tái)觀光塔鑄鋼節(jié)點(diǎn)為例,對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊縫的疲勞可靠性進(jìn)行了分析。已有研究多集中于試驗(yàn)研究,試件數(shù)量有限,無(wú)法形成有統(tǒng)計(jì)意義的規(guī)律性結(jié)論。此外,不同試驗(yàn)采用的接頭形式不同,而焊接細(xì)節(jié)對(duì)疲勞性能有較大影響,其試驗(yàn)結(jié)果缺乏可比性。實(shí)際工程中接頭形式繁多,焊接細(xì)節(jié)多變,考慮到疲勞試驗(yàn)成本,無(wú)法對(duì)所有接頭形式進(jìn)行試驗(yàn)研究。因此,有必要將數(shù)值分析和疲勞破壞理論相結(jié)合,發(fā)展精細(xì)可靠的疲勞計(jì)算方法。Marulo等[11]采用最大缺口應(yīng)力、危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力和平均應(yīng)力3種方法對(duì)比分析了中高強(qiáng)鋼薄壁焊接接頭的疲勞性能;Wang等[12]通過(guò)有限元與斷裂力學(xué)結(jié)合,模擬了鑄鋼節(jié)點(diǎn)對(duì)接焊縫裂紋的發(fā)展,對(duì)有限元模型中初始裂紋的選取提出了建議;Han等[13-14]采用熱點(diǎn)應(yīng)力法參數(shù)化分析了不同構(gòu)造對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊縫疲勞性能的影響。這些方法使用的局限性較大,且可靠性有待驗(yàn)證,仍缺乏具有可操作性的通用分析方法。
筆者通過(guò)一種常用鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊接接頭小試件的疲勞試驗(yàn),對(duì)疲勞過(guò)程中剛度、位移和疲勞斷面進(jìn)行研究,提出了鑄鋼節(jié)點(diǎn)對(duì)接焊縫的疲勞失效機(jī)理。結(jié)合有限元分析,用有效缺口應(yīng)力法分析試件的疲勞壽命,并在此基礎(chǔ)上考慮殘余應(yīng)力和平均應(yīng)力的影響,對(duì)有效缺口應(yīng)力法進(jìn)行改進(jìn)。
采用工程中常用的鑄鋼G20Mn5QT和熱軋鋼Q345B焊接,規(guī)格分別為Φ219×32和Φ219×16,鑄鋼鋼管內(nèi)徑坡度為1:5,墊板長(zhǎng)度30 mm,厚度5 mm,焊縫中部間隙4 mm,鑄鋼和熱軋鋼坡口角度均為22.5°,構(gòu)件寬度20 mm。焊絲為直徑1.2 mm型號(hào)ER50-6的實(shí)心焊絲,焊接方式為CO2氣體保護(hù)焊,5層焊縫施焊,分別記錄每層施焊所用時(shí)間,5層焊接分別用時(shí)78、116、75、69、80 s。焊接后用石棉布包裹保溫,使其逐漸冷卻,探傷后確定為一級(jí)焊縫[15]。由于疲勞試驗(yàn)機(jī)噸位的限制,可將焊接后的鑄鋼鋼管加工成小試件來(lái)模擬完整鋼管的性能。根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]的建議,試驗(yàn)采用的試件首先對(duì)焊接后的鋼管沿長(zhǎng)度方向線(xiàn)切割(切割時(shí)以圓心為中心,按15°切成弧形板試件),然后對(duì)弧形板試件用銑床將兩側(cè)磨平而成,制成的小試件稱(chēng)之為A類(lèi)試件,如圖1所示,試驗(yàn)時(shí)夾具夾持在試件的側(cè)面,如圖2所示。
圖1 A類(lèi)試件構(gòu)造圖Fig.1 Test specimen for type A welding detail
圖2 疲勞試驗(yàn)過(guò)程
疲勞試驗(yàn)采用長(zhǎng)春機(jī)械科學(xué)研究院生產(chǎn)的電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī),加載頻率為2.5 Hz,荷載比Pmin/Pmax=0.1,Pmin和Pmax分別為最小和最大荷載。試驗(yàn)過(guò)程中截面面積不變,可認(rèn)為應(yīng)力比R=σmin/σmax=0.1。在疲勞試驗(yàn)正式開(kāi)始前進(jìn)行1~2次預(yù)加載,在靜力加卸載過(guò)程中,采用分級(jí)加載的方式,逐級(jí)加載至疲勞荷載上限Pmax,以消除松動(dòng)。經(jīng)過(guò)預(yù)加載確認(rèn)試驗(yàn)可正常進(jìn)行后,開(kāi)始正式加載。首先采用靜力加載速率加載至荷載下限Pmin,隨后在疲勞試驗(yàn)機(jī)中設(shè)定荷載幅值與平均荷載,使得作動(dòng)器施加幅度為Pmin~Pmax,頻率為2.5 Hz的循環(huán)荷載。
進(jìn)行了A1~A9共9個(gè)試件的疲勞試驗(yàn),控制的名義應(yīng)力的應(yīng)力范圍Δσn(Δσn=σn,max-σn,min)分別為:226、216、201、194、174、167、147、138、126 MPa[15]。其中,名義應(yīng)力指熱軋鋼一側(cè)在焊接接頭熱影響區(qū)以外的應(yīng)力。如果試驗(yàn)至2×106次時(shí)仍未疲勞,則認(rèn)為此試件在該應(yīng)力下不會(huì)疲勞。通過(guò)觀察疲勞試驗(yàn)的過(guò)程,發(fā)現(xiàn)各組試件疲勞斷裂的過(guò)程基本一致。試驗(yàn)過(guò)程中,在裂紋下方其用記號(hào)筆平行地畫(huà)出其發(fā)展的長(zhǎng)度、方向和出現(xiàn)時(shí)的疲勞荷載周期數(shù),試件裂紋發(fā)展和斷裂的情況如圖3(a)、(b)所示。不同于一般焊接試件由焊趾處萌生疲勞裂紋,此類(lèi)試件首先在焊根處形成疲勞微裂紋(由于微裂紋產(chǎn)生后表面的不平整,在同一個(gè)強(qiáng)光束的照射下,可根據(jù)反光率的細(xì)微差異判定微裂紋的發(fā)展情況),此階段持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)(如圖3(a),加載5.3萬(wàn)次),之后微裂紋逐漸累積形成可較短的宏觀裂紋,并沿厚度方向發(fā)展。隨著宏觀裂紋的發(fā)展,試件的有效截面面積逐漸減小,應(yīng)力逐漸增大,最終(如圖3(b),加載8.26萬(wàn)次后)斷裂于焊縫中心或焊趾處,斷裂時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的頸縮現(xiàn)象。試件的橫斷面如圖3(c)所示,可將其橫斷面分為裂紋萌生區(qū)Ⅰ、裂紋擴(kuò)展區(qū)Ⅱ和瞬斷區(qū)Ⅲ。結(jié)合圖3可知,對(duì)于此類(lèi)焊接接頭,焊根處缺口效應(yīng)要遠(yuǎn)大于焊趾處幾何突變引起的應(yīng)力集中,疲勞性能最差的部位為熱軋鋼一側(cè)的焊根處。
圖3 試件的疲勞斷面Fig.3 The surface images of fatigue
圖4 試件A3的荷載位移關(guān)系Fig.4 Relationship between load and displacement
圖5 不同試件的剛度百分比壽命關(guān)系Fig.5 Relationship between stiffness ratio and fatigue life of different
為了研究試件位移在不同壽命階段的變化規(guī)律,提取不同階段的最大值和最小值,如圖6所示。由圖6可將位移的變化分為2個(gè)階段:穩(wěn)定階段和斷裂階段。穩(wěn)定階段占整個(gè)壽命階段的比例約大于80%,在這一階段,疲勞損傷不斷累積和增加,位移的變化并不明顯。損傷累積到一定階段時(shí),進(jìn)入斷裂階段,此階段占總壽命的比例約小于20%,這一階段內(nèi),位移迅速增長(zhǎng),在經(jīng)歷較短周期后即發(fā)生破壞。
圖6 不同試件的位移壽命關(guān)系Fig.6 Relationship between displacement and fatigue life
疲勞裂紋的發(fā)展階段可根據(jù)疲勞斷面的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)分為裂紋萌生階段、裂紋擴(kuò)展階段和瞬斷階段。在試驗(yàn)中,穩(wěn)定階段對(duì)應(yīng)裂紋萌生階段和裂紋擴(kuò)展階段,斷裂階段對(duì)應(yīng)瞬斷階段。在穩(wěn)定階段,裂紋的長(zhǎng)度和寬度較小,對(duì)接焊縫試件的有效截面面積依然很大,名義應(yīng)力并未產(chǎn)生很大變化,而且對(duì)接焊縫試件本身有一定長(zhǎng)度,荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大的變形,由裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生的變形相對(duì)于試件自身的變形小很多,因此,他在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中的體現(xiàn)不明顯,不易觀察到裂紋萌生階段和裂紋擴(kuò)展階段明顯的分界點(diǎn)。在斷裂階段,由于裂紋的長(zhǎng)度和寬度已經(jīng)發(fā)展較大,很大程度地減小了有效截面面積,導(dǎo)致應(yīng)力、變形較大,當(dāng)裂紋擴(kuò)展使有效截面的應(yīng)力超過(guò)極限強(qiáng)度后,試件被拉斷,所以,在這一階段會(huì)產(chǎn)生較大的變形。
為了分析試件疲勞斷裂的原因,將試件的疲勞斷面試樣用電子顯微鏡掃描(Scanning Electron Microscope,簡(jiǎn)稱(chēng)SEM),如圖7所示。圖7(a)中可發(fā)現(xiàn)疲勞斷面中部有較多的氣孔缺陷,雖然氣孔處會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中,但疲勞源并沒(méi)有形成于此,而是形成于焊根附近的焊接缺陷,如圖7(b)所示,圖中可以觀察到多個(gè)單獨(dú)的球狀顆粒,沒(méi)有完全與母材熔合,疲勞裂紋在此處萌生。
圖7 試件A2的SEM圖Fig.7 SEM images of A2
此類(lèi)試件由于構(gòu)造原因在焊根處存在缺口,導(dǎo)致焊根處存在較大的缺口應(yīng)力,會(huì)使附近的局部應(yīng)力水平增大,微裂紋尖端出現(xiàn)塑性區(qū),損傷逐漸累積形成宏觀的疲勞裂紋。若焊根附近存在焊接或鑄造缺陷,則會(huì)進(jìn)一步增大該區(qū)域的局部應(yīng)力,加速宏觀裂紋的形成。
鑄鋼節(jié)點(diǎn)與熱軋鋼管對(duì)接焊接時(shí),鑄鋼與熱軋鋼的壁厚通常不相等,為了保證焊接質(zhì)量通常采用外加墊板或?qū)㈣T鋼加工出墊板,并保證墊板有一定的長(zhǎng)度。熱軋鋼與墊板之間只在焊縫處熔合,未熔合部分就形成了“先天”的缺口,相當(dāng)于一個(gè)帶缺口的光滑試件,這個(gè)缺口是焊接接頭由構(gòu)造產(chǎn)生的縫隙,其方向垂直于構(gòu)件的厚度。
在往復(fù)荷載的作用下,縫隙的尖端會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中,使該區(qū)域產(chǎn)生不均勻塑性應(yīng)變,并導(dǎo)致局部塑性變形在此處集中,逐漸形成微裂紋。若此處存在焊接或鑄造缺陷,則會(huì)加快微裂紋的累積,加速宏觀裂紋的形成。與文獻(xiàn)[6]中的焊接光滑試件相比,“先天”的缺口大大縮短了裂紋萌生階段的壽命,從而縮短了整個(gè)疲勞過(guò)程。
中國(guó)規(guī)范目前關(guān)于疲勞壽命評(píng)估方法采用傳統(tǒng)的名義應(yīng)力法,即對(duì)于不同的焊接接頭類(lèi)型給出其對(duì)應(yīng)的S-N曲線(xiàn)。除此之外,常用的疲勞壽命評(píng)估方法還包括挪威船級(jí)社(Det Norske Veritas,簡(jiǎn)稱(chēng)DNV)[16]和國(guó)際焊接學(xué)會(huì)(International Institute of Welding,簡(jiǎn)稱(chēng)IIW)[17]共同推薦的熱點(diǎn)應(yīng)力法、IIW推薦的有效缺口應(yīng)力法。相較于名義應(yīng)力法和熱點(diǎn)應(yīng)力法,有效缺口應(yīng)力法不僅顧及了結(jié)構(gòu)整體的幾何效應(yīng),還考慮了焊接細(xì)節(jié)的幾何效應(yīng)。針對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)對(duì)接焊縫形式,名義應(yīng)力法沒(méi)有給出對(duì)應(yīng)的接頭類(lèi)型,熱點(diǎn)應(yīng)力法也不適用于焊根處破壞的情況。因此,嘗試采用有效缺口應(yīng)力法對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)對(duì)接焊縫進(jìn)行分析。
lgNf=13.585-3lg Δσe
(1)
Δσe=SCFeΔσn
(2)
式中:Δσe為有效缺口應(yīng)力范圍;SCFe為有效缺口應(yīng)力集中系數(shù);Δσn為名義應(yīng)力范圍。
為了驗(yàn)證該方法的普遍適用性,在分析A類(lèi)試件的同時(shí),可對(duì)比分析文獻(xiàn)[8]中的兩種坡口形式,將其稱(chēng)之為B類(lèi)和C類(lèi)試件,如圖8所示。文獻(xiàn)[8]采用的母材為G20Mn5和Q345,焊接類(lèi)型與本文相同,也均為R=0.1的應(yīng)力控制下的疲勞試驗(yàn),因此,其疲勞數(shù)據(jù)可直接與本文的疲勞壽命對(duì)比。
圖8 試件的坡口形式
根據(jù)文獻(xiàn)[16]的建議,有限元建模時(shí)采用二次單元,并在敏感部位建立半徑為1 mm的缺口模型,網(wǎng)格尺寸取0.25 mm;其余部分網(wǎng)格尺寸取1 mm。分析結(jié)果和試驗(yàn)破壞現(xiàn)象如圖9所示??梢钥闯?,3類(lèi)試件在右側(cè)熱軋鋼側(cè)的缺口應(yīng)力均大于鑄鋼側(cè),即熱軋鋼側(cè)焊根處先發(fā)生破壞,與試驗(yàn)現(xiàn)象吻合。
圖9 試件的受力情況和破壞模式Fig.9 Stress states and failure modes of
SCFe是準(zhǔn)確獲取焊縫局部缺口應(yīng)力的關(guān)鍵參數(shù),其數(shù)值等于缺口處應(yīng)力的最大值。提取圖9有限元模型中缺口應(yīng)力最大處的第一主應(yīng)力,可得到A、B、C類(lèi)試件的SCFe分別為2.557、3.841和3.856,其中A類(lèi)試件的SCFe比B類(lèi)和C類(lèi)的約小33%。結(jié)合式(1)、式(2)可計(jì)算出其疲勞壽命,將其與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,如圖10所示。從圖10可看出,由于采用S-N曲線(xiàn)的斜率相同,3類(lèi)試件的S-N曲線(xiàn)相互平行。在相同的名義應(yīng)力范圍下,A類(lèi)試件的疲勞壽命高于B類(lèi)和C類(lèi)試件,這可能是因?yàn)锳類(lèi)試件較平滑的坡口角度和較小的應(yīng)力集中系數(shù)。由于B類(lèi)和C類(lèi)試件SCFe的數(shù)值比較接近,因此,由ENSM得到的這2類(lèi)試件的S-N曲線(xiàn)也比較接近,幾乎重合。
圖10 3類(lèi)試件ENSM與實(shí)測(cè)壽命對(duì)比圖Fig.10 Comparison of ENSM and test data of
ENSM能在一定程度上反映這幾類(lèi)試件的疲勞壽命,但在高應(yīng)力范圍時(shí),會(huì)出現(xiàn)預(yù)測(cè)壽命大于實(shí)測(cè)壽命的情況(圖10中橢圓圈所示),文獻(xiàn)[18-19]也發(fā)現(xiàn)了薄板焊接試件類(lèi)似的性質(zhì)。IIW提供的關(guān)于有效缺口應(yīng)力法S-N曲線(xiàn)應(yīng)力的存活率大于97.7%,應(yīng)為一條偏保守的曲線(xiàn),但圖10中每類(lèi)試件位于ENSM曲線(xiàn)左側(cè)點(diǎn)的數(shù)量占數(shù)據(jù)總量的比例均大于10%,因此,若直接使用該方法預(yù)測(cè)疲勞壽命,會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果較危險(xiǎn),可能引起安全事故。這是因?yàn)榇朔椒](méi)有考慮平均應(yīng)力和焊根處焊接殘余應(yīng)力的影響。焊根處的殘余應(yīng)力一般不容易被消除,對(duì)于壁厚較小的焊接結(jié)構(gòu),焊接殘余應(yīng)力相對(duì)較小,但對(duì)于壁厚較大且為不等壁厚焊接的情況,忽略焊接殘余應(yīng)力和平均應(yīng)力的影響會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果的安全性產(chǎn)生一定的影響。因此,有必要對(duì)有效缺口應(yīng)力法進(jìn)行改進(jìn)。
為了考慮平均應(yīng)力的影響,可采用Basquin公式[20]對(duì)有效缺口應(yīng)力法的式(1)進(jìn)行修正,Basquin公式如式(3)所示。
(3)
將式(3)取對(duì)數(shù)后可轉(zhuǎn)化為式(4)。
(4)
在考慮了平均應(yīng)力和殘余應(yīng)力的條件下,將式(4)應(yīng)用于缺口處,可得式(5)。
(5)
(6)
由于σm,q可根據(jù)試驗(yàn)求得,若缺口處的焊接殘余應(yīng)力σr,q已知,則可由式(6)計(jì)算出疲勞壽命,將這種考慮平均應(yīng)力和殘余應(yīng)力影響的有效缺口應(yīng)力法稱(chēng)之為改進(jìn)的有效缺口應(yīng)力法(Improved Effective Notch Stress Method,簡(jiǎn)稱(chēng)IENSM)。
焊根處的殘余應(yīng)力不易測(cè)量,為了得到較安全的疲勞壽命,可對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)環(huán)形對(duì)接焊縫建立有限元模型,采用內(nèi)生熱源法將實(shí)測(cè)表面殘余應(yīng)力與有限元結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證此方法和模型可靠后,即可用此方法得到焊根處的殘余應(yīng)力。A類(lèi)試件殘余應(yīng)力的測(cè)量和焊根處的殘余應(yīng)力分析分別如文獻(xiàn)[21]和[22]所述,提取其分析結(jié)果可偏安全地提取焊根處的最大殘余應(yīng)力為101 MPa,同樣的方法得到B類(lèi)和C類(lèi)焊根處的最大殘余應(yīng)力分別為239和63 MPa。因此,可根據(jù)式(5)分別求出3類(lèi)試件的疲勞壽命,將其與有效缺口應(yīng)力法的結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,如圖11所示。可以看出,對(duì)于相同的試件類(lèi)型,ENSM的曲線(xiàn)均位于IENSM之上,且實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均在曲線(xiàn)IENSM的右側(cè),相較于有效缺口應(yīng)力法,改進(jìn)的有效缺口應(yīng)力法更保守。也就是說(shuō),改進(jìn)的有效缺口應(yīng)力法能為實(shí)際工程提供更安全的疲勞壽命預(yù)測(cè)。
圖11 3類(lèi)試件IENSM與實(shí)測(cè)壽命對(duì)比圖Fig.11 Comparison of IENSM and test data of
1)根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象可將鑄鋼節(jié)點(diǎn)對(duì)接焊縫的疲勞過(guò)程分為兩階段:穩(wěn)定階段和斷裂階段。在穩(wěn)定階段,試件的位移和應(yīng)力應(yīng)變保持穩(wěn)定,占總壽命的比例不小于80%;在斷裂階段,位移和應(yīng)變迅速增大,占總壽命的比例不大于20%。
2)結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象和斷面的SEM,提出鑄鋼節(jié)點(diǎn)對(duì)接焊縫的疲勞失效機(jī)理:對(duì)接焊縫的焊根處因構(gòu)造形成了缺口,缺口附近產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中,使疲勞裂紋在此萌生。之后,裂紋沿厚度方向擴(kuò)展,直至破壞。
3)發(fā)現(xiàn)有效缺口應(yīng)力法能預(yù)測(cè)鑄鋼節(jié)點(diǎn)對(duì)接焊縫的疲勞壽命變化趨勢(shì),但預(yù)測(cè)結(jié)果偏危險(xiǎn)。
4)結(jié)合殘余應(yīng)力和平均應(yīng)力對(duì)有效缺口應(yīng)力法進(jìn)行改進(jìn),提出了新的疲勞壽命評(píng)估方法,并驗(yàn)證了該方法的適用性和安全性。
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