童樂(lè)為，袁一鑫，牛立超，郁琦桐，顏 陽(yáng)

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院，浙江嘉興314051；3.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海200070）

鋼結(jié)構(gòu)在建筑、橋梁、鐵路、公路、水工、海工、港口等各類工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍。在動(dòng)力荷載、交變荷載的作用下，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生累積損傷、裂紋形成、裂紋擴(kuò)展、最終斷裂這一過(guò)程的高周疲勞問(wèn)題，是工程結(jié)構(gòu)日常服役中常見(jiàn)的破壞形式。為確保鋼結(jié)構(gòu)耐久地使用，研究其高周疲勞問(wèn)題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。應(yīng)力工作在彈性范圍、壽命（應(yīng)力循環(huán)次數(shù)）通常在1×104～5×104以上的疲勞問(wèn)題稱為高周疲勞（簡(jiǎn)稱疲勞）。鑒于鋼結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題的復(fù)雜性，目前還主要依賴于試驗(yàn)進(jìn)行研究。

對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼母材及其小尺度焊接件的疲勞試驗(yàn)，可采用標(biāo)準(zhǔn)試樣在疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的疲勞試驗(yàn)機(jī)由于設(shè)備工作原理的不同，按照加載頻率可分為低頻、中頻、高頻和超高頻等疲勞試驗(yàn)機(jī)。一般而言，加載頻率f≤30Hz的稱為低頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，采用電液伺服工作原理；30＜f≤100Hz的稱為中頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，采用機(jī)電驅(qū)動(dòng)工作原理；100＜f≤300Hz的稱為高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，采用電磁諧振工作原理；f＞300Hz的稱為超高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，采用氣動(dòng)和聲學(xué)工作原理［1］。在我國(guó)，對(duì)服務(wù)于工程結(jié)構(gòu)研發(fā)、檢測(cè)的試驗(yàn)室，通常配備的是低頻（一般在30Hz以內(nèi)）或者中高頻（一般在100Hz左右，為便于敘述統(tǒng)稱中高頻）疲勞試驗(yàn)機(jī)。由于疲勞試件多、試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)和費(fèi)用高，不少研究者為了節(jié)省成本，采用中高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。例如，以200萬(wàn)次疲勞壽命的一個(gè)試件為例，分別采用低頻15Hz和中高頻100Hz的疲勞試驗(yàn)機(jī)，前者需要37h，后者僅需要5.6h。疲勞試驗(yàn)通常按時(shí)間收費(fèi)，在試件數(shù)量多的情況下，采用中高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)就更突顯出試驗(yàn)時(shí)間短、花費(fèi)少的優(yōu)勢(shì)。

然而，工程結(jié)構(gòu)服役期間所受到的日常疲勞荷載屬于低頻范疇，那么采用中高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)獲得的疲勞壽命結(jié)果是否會(huì)受到中高頻加載的影響？如果沒(méi)有影響，那么采用高于低頻的疲勞試驗(yàn)機(jī)是值得優(yōu)先選擇的；如果疲勞壽命偏高或偏低，那么就不適合采用高于低頻的疲勞試驗(yàn)機(jī)？這是長(zhǎng)期困擾研究者如何選擇疲勞試驗(yàn)機(jī)的問(wèn)題，迫切需要予以研究來(lái)回答。

至今為止，國(guó)內(nèi)外有關(guān)加載頻率對(duì)結(jié)構(gòu)鋼及其焊接疲勞壽命影響的研究很少，1979年Gurney指出低頻范圍內(nèi)的不同加載頻率對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能沒(méi)有什么影響［2］。2006年Tian等［3］對(duì)比研究了頻率10Hz與700Hz對(duì)316型加氮低碳不銹鋼在空氣中以及在水銀中的疲勞性能影響，得到低頻比超高頻的疲勞壽命長(zhǎng)的試驗(yàn)結(jié)果。2007年張真源［4］針對(duì)高速鐵路車輛結(jié)構(gòu)的零件進(jìn)行了超高頻20kHz的Q345鋼材的疲勞試驗(yàn)，然后與1995年出版的機(jī)械工程材料手冊(cè)上16Mn鋼材的頻率30Hz的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)30Hz的疲勞壽命比20kHz的疲勞壽命長(zhǎng)，最后在結(jié)構(gòu)鋼超高周疲勞性能研究中總結(jié)了不同晶體形態(tài)的金屬對(duì)于頻率效應(yīng)不同的敏感程度。2014年Nonaka等［5］研 究 了 加 載 頻 率10Hz、400Hz、19.8kHz對(duì)火車車軸鋼Gr70疲勞強(qiáng)度的影響，結(jié)果是頻率19.8kHz的疲勞壽命顯著高于10Hz、400Hz的疲勞壽命，而頻率10Hz與400Hz兩者的疲勞壽命差別不大。2017年P(guān)essoa等［6］針對(duì)加載頻率1Hz與50Hz以及100Hz與1 000Hz對(duì)亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼AISI 304疲勞性能的影響進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，指出頻率低的疲勞壽命都比頻率高的疲勞壽命長(zhǎng)。

綜上所述，可見(jiàn)現(xiàn)有的研究不僅少，而且得出的結(jié)論各不相同。為此，本文分別從國(guó)產(chǎn)的結(jié)構(gòu)鋼母材和焊接節(jié)點(diǎn)2個(gè)層面開(kāi)展低頻（30Hz以內(nèi)）與中高頻（100Hz左右）加載對(duì)疲勞壽命影響的對(duì)比研究，研究涉及的鋼材有近年來(lái)結(jié)構(gòu)工程師希望發(fā)展應(yīng)用的國(guó)產(chǎn)Q460高強(qiáng)度鋼材及其對(duì)焊節(jié)點(diǎn)，也有傳統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)Q345普通強(qiáng)度鋼材及其對(duì)焊節(jié)點(diǎn)；有作者自己的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，也有文獻(xiàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，也有作者試驗(yàn)數(shù)據(jù)與其他學(xué)者的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，以期對(duì)比研究結(jié)果盡可能具有寬泛性。

1 結(jié)構(gòu)鋼的低頻與中高頻疲勞試驗(yàn)對(duì)比

1.1 Q460C鋼材的低頻與中高頻疲勞試驗(yàn)對(duì)比

比較試驗(yàn)針對(duì)的是厚度10mm的Q460C高強(qiáng)鋼板材，在進(jìn)行低頻與中高頻疲勞試驗(yàn)前，先進(jìn)行了材性測(cè)試，依據(jù)國(guó)標(biāo)《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法：GB/T 228—2010》［7］，加工了3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣厚度以及表面狀況與原鋼板實(shí)況相同，材性測(cè)試數(shù)據(jù)（平均值）如表1所示。表中，fy為屈服強(qiáng)度，fu為抗拉強(qiáng)度，δ為延伸率。

表1 Q460C材性測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of mechanical performance of Q460C

Q460C鋼材的低頻與中高頻疲勞試驗(yàn)采用同一塊鋼板切割的試樣，試樣幾何尺寸和加工完全一樣，按照國(guó)標(biāo)《金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向力控制方法：GB/T 3075—2008》［8］加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣，如圖1所示。

Q460C鋼材的低頻疲勞試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)力學(xué)試驗(yàn)室的低頻疲勞試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)為200KN MTS Landmark 809）上進(jìn)行，試樣數(shù)量16個(gè)，加載頻率15～16Hz。

Q460C鋼材的中高頻疲勞試驗(yàn)分別在上海英格爾結(jié)構(gòu)檢測(cè)公司中高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)QBG-100KN-4）和上海材料研究所中高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)Zwick/Roell Vibrophore100）上進(jìn)行。試樣數(shù)量前者10個(gè)，后者5個(gè)，合計(jì)15個(gè)。2個(gè)中高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的加載頻率設(shè)定在100Hz，但是實(shí)際加載時(shí)大致會(huì)有±10Hz范圍的變化，因?yàn)槊總€(gè)試樣具體施加的荷載會(huì)對(duì)頻率有一定的影響。

無(wú)論是低頻還是高頻疲勞試驗(yàn)，都是常幅疲勞加載，采用正弦交變波形，均為拉力，取應(yīng)力比ρ=σmin/σmax=0.1，其中σmin、σmax分別為最小應(yīng)力和最大應(yīng)力。每個(gè)試樣施加不同的最大應(yīng)力σmax，其控制在鋼材的彈性范圍內(nèi)，且不超過(guò)0.8倍的屈服強(qiáng)度f(wàn)y，最小應(yīng)力按照σmin=0.1σmax比例施加。表2和表3分別為Q460C鋼材低頻與中高頻疲勞施加的應(yīng)力幅Δσ=σmax-σmin和疲勞斷裂壽命N，斷裂的位置均發(fā)生在試樣直線段區(qū)域，表明試驗(yàn)有效。表中f為頻率。

圖1 Q460C鋼材低頻、中高頻疲勞試驗(yàn)的試樣（單位：mm）Fig.1 Test specimen of Q460C steel at low and medium-high frequency fatigue loadings（unit:mm）

表2 Q460C鋼材低頻疲勞試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Fatigue test results of Q460C steel at low frequency loading

低頻與中高頻疲勞試驗(yàn)在不同單位和型號(hào)的疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載時(shí)由于設(shè)備荷載輸出有一定差別，因此，施加的應(yīng)力幅數(shù)值有些完全相同、有些稍微有點(diǎn)差別，但是這并不影響低頻與中高頻疲勞壽命的比較。從表2與表3的比較容易判斷低頻與中高頻的疲勞壽命有很大的差別，前者比后者疲勞壽命長(zhǎng)得多。

另外，從表3可見(jiàn)，雖然在不同單位和型號(hào)的中高頻疲勞機(jī)上試驗(yàn)，但是，在一臺(tái)疲勞機(jī)所做的5個(gè)試樣Q460C-11～Q460C-15與在另一臺(tái)疲勞機(jī)做的5個(gè)試樣Q460C-6～Q460C-10，一一對(duì)應(yīng)施加的應(yīng)力幅是一樣的，顯示出對(duì)應(yīng)的疲勞壽命是非常接近的，這說(shuō)明雖然采用不同單位、不同型號(hào)的高頻疲勞機(jī)，但是結(jié)果是一樣的、可靠的。

為了更有說(shuō)服力地說(shuō)明問(wèn)題，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法來(lái)回歸應(yīng)力幅-荷載循環(huán)次數(shù)（S-N）曲線，以期比較低頻與中高頻疲勞壽命的差別。圖2是根據(jù)最小二乘法獲得的雙對(duì)數(shù)S-N曲線（平均值），水平坐標(biāo)為疲勞壽命N，豎向坐標(biāo)為應(yīng)力幅Δσ。

由圖2可見(jiàn)，低頻加載的S-N曲線明顯高于中高頻加載的S-N曲線，這再次說(shuō)明低頻加載比中高頻加載具有長(zhǎng)的疲勞壽命（即循環(huán)次數(shù)N）或者大的疲勞強(qiáng)度（即應(yīng)力幅Δσ），且隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，差別更大。例如，分別以100萬(wàn)次和200萬(wàn)次疲勞壽命為例，由表4可見(jiàn)，低頻加載的疲勞強(qiáng)度比高頻加載的疲勞強(qiáng)度分別提高了27%和33%。表中ΔσL、ΔσH分別為低頻疲勞強(qiáng)度、中高頻疲勞強(qiáng)度。

表3 Q460C鋼材高頻疲勞試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Fatigue test results of Q460C steel at high frequency loading

1.2 Q460D鋼材的低頻與中高頻疲勞試驗(yàn)對(duì)比

西安理工大學(xué)郭宏超等和清華大學(xué)施剛等曾經(jīng)分別進(jìn)行了低頻和中高頻加載的Q460D鋼材疲勞試驗(yàn)，引用他們分別在2018年［9］和2014年［10］發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，來(lái)比較低頻與中高頻Q460D鋼材疲勞壽命的差別。

圖2 Q460C鋼材低頻與中高頻加載S-N曲線對(duì)比Fig.2 Comparison of S-N curves of Q460C steel at low and medium-high frequency loadings

表4 Q460C鋼材低頻與中高頻疲勞強(qiáng)度比較Tab.4 Comparison of fatigue strength of low and medium-high frequency loadings

西安理工的疲勞試樣為板材厚度8mm的Q460D鋼，標(biāo)準(zhǔn)試樣的幾何尺寸類似圖1。表5為其Q460D鋼材的材性測(cè)試數(shù)據(jù)，表6為10個(gè)發(fā)生疲勞斷裂試樣的低頻（30Hz）加載的應(yīng)力幅、疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試樣編號(hào)按照應(yīng)力幅從大到小排列。

表5 西安理工Q460D材性測(cè)試數(shù)據(jù)［8］Tab.5 Test data of mechanical performance of Q460D of Xi’an University of Technology［8］

表6 西安理工Q460D鋼材低頻疲勞試驗(yàn)結(jié)果［8］Tab.6 Fatigue test results of Q460D steel at low frequency loading of Xi’an University of Technology［8］

清華的疲勞試樣為板材厚度14mm的Q460D鋼，標(biāo)準(zhǔn)試樣幾何尺寸也類似圖1。表7為其Q460D鋼材的材性測(cè)試數(shù)據(jù)，表8為12個(gè)發(fā)生疲勞斷裂試樣的高頻（100～105Hz范圍）加載的應(yīng)力幅、疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試樣編號(hào)按照應(yīng)力幅從大到小排列。

表7 清華Q460D材性測(cè)試數(shù)據(jù)［9］Tab.7 Test data of mechanical performance of Q460D steel of Tsinghua University［9］

表8 清華Q460D鋼材中高頻疲勞試驗(yàn)結(jié)果［9］Tab.8 Fatigue test results of Q460D steel at medium-high frequency loading of Tsinghua University［9］

鑒于西安理工與清華的疲勞試驗(yàn)具體施加的荷載有所不同，難以直接對(duì)比，為此，采用前述的數(shù)理統(tǒng)計(jì)回歸S-N曲線的方法來(lái)比較其低頻與中高頻疲勞壽命或疲勞強(qiáng)度的差別，如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，西安理工低頻加載的S-N曲線也明顯高于清華中高頻加載的S-N曲線，這說(shuō)明對(duì)Q460D鋼材而言，低頻加載仍舊具有比中高頻加載長(zhǎng)的疲勞壽命或者大的疲勞強(qiáng)度的特點(diǎn)。由表9可見(jiàn)，當(dāng)100萬(wàn)次和200萬(wàn)次疲勞壽命時(shí)，低頻加載的疲勞強(qiáng)度比中高頻加載的疲勞強(qiáng)度都提高了23%。

2 焊接節(jié)點(diǎn)的低頻與中高頻疲勞試驗(yàn)對(duì)比

2.1 Q460C對(duì)焊節(jié)點(diǎn)低頻與中高頻疲勞試驗(yàn)對(duì)比

Q460C鋼板對(duì)焊節(jié)點(diǎn)試樣的加工，是先由2塊10mm厚度的、大的鋼板對(duì)接焊，然后再切割成一根根所需數(shù)量的板條，再按照國(guó)標(biāo)《金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向力控制方法：GB/T 3075—2008》［8］加工成如圖4所示的標(biāo)準(zhǔn)試樣。試樣由中冶上海鋼構(gòu)有限公司加工，焊接采用CO2氣體保護(hù)焊結(jié)合埋弧焊，V形坡口，焊后將余高磨平。正式焊接前進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定，并獲得驗(yàn)收通過(guò)。

疲勞試驗(yàn)方法與前述的Q460C鋼材疲勞試驗(yàn)方法一致。低頻與高頻對(duì)焊節(jié)點(diǎn)的疲勞試樣數(shù)量相同，各為4個(gè)，前者在同濟(jì)大學(xué)力學(xué)試驗(yàn)室的低頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，后者在上海材料研究所中高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。采用低頻（15Hz）與中高頻（100Hz左右）疲勞試樣所施加的應(yīng)力幅完全一樣的方式以便進(jìn)行直接比較。疲勞斷裂的位置都發(fā)生在焊縫或焊接熱影響區(qū)，疲勞試驗(yàn)施加的應(yīng)力幅、疲勞壽命列于表10。

圖3 Q460D鋼材西安理工低頻與清華中高頻加載S-N曲線對(duì)比Fig.3 Comparison of S-N curves of Q460D steel between Xi’an University of Technology and those of Tsinghua University

表9 Q460D鋼材西安理工低頻與清華中高頻疲勞強(qiáng)度比較Tab.9 Comparison of fatigue strength of Xi’an University of Technology and that of Tsinghua University

圖4 Q460C鋼板對(duì)焊節(jié)點(diǎn)低頻、中高頻疲勞試樣（單位：mm）Fig.4 Fatigue test specimen of Q460C butt-welded joint at low and medium-high frequency(Unit:mm)

由表10可見(jiàn)，針對(duì)Q460C鋼板的對(duì)焊節(jié)點(diǎn)，低頻加載的疲勞壽命仍舊與中高頻加載的疲勞壽命有很大差別，前者顯著高于后者，兩者之比在1.44～14.97之間。

2.2 Q345對(duì)焊節(jié)點(diǎn)低頻與中高頻疲勞試驗(yàn)對(duì)比

進(jìn)行了普通強(qiáng)度的Q345B鋼板對(duì)焊節(jié)點(diǎn)的低頻疲勞試驗(yàn)，板厚10mm，試樣幾何形狀和尺寸類似圖4，由鋼結(jié)構(gòu)廠家加工，加工方法與前述的Q460C鋼板對(duì)焊節(jié)點(diǎn)的試樣相同。由于Q345類鋼材是常規(guī)鋼材，其材料力學(xué)性能和焊接等事宜不再贅述。Q345B鋼板對(duì)焊節(jié)點(diǎn)的低頻疲勞試驗(yàn)在上海軌道交通檢測(cè)技術(shù)有限公司低頻疲勞試驗(yàn)機(jī)MTS LandMark 370.25上進(jìn)行，試樣數(shù)量7個(gè)，加載頻率20Hz，表11為試驗(yàn)結(jié)果。

表11 Q345B對(duì)焊節(jié)點(diǎn)低頻疲勞試驗(yàn)結(jié)果Tab.11 Fatigue test results of Q345B butt-weld joint at low frequency loading

長(zhǎng)安大學(xué)張曉君［11］2013年對(duì)Q345qD鋼板對(duì)焊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了中高頻加載的疲勞試驗(yàn)，引用文獻(xiàn)［11］的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)與本文同類等級(jí)的Q345B鋼板對(duì)焊節(jié)點(diǎn)的低頻試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。長(zhǎng)安大學(xué)的試樣與圖4類似，也是V形坡口對(duì)接焊。中高頻加載頻率在80～250Hz范圍內(nèi)，表12為試驗(yàn)結(jié)果，試樣8個(gè)，其編號(hào)按照施加的應(yīng)力幅從大到小排列。

表12 長(zhǎng)安大學(xué)Q345qD對(duì)焊節(jié)點(diǎn)中高頻疲勞試驗(yàn)結(jié)果［10］Tab.12 Fatigue test results of Q345qD butt-weld joint at medium-high frequency loadings of Chang’an University[10]

基于低頻與中高頻疲勞試驗(yàn)施加的應(yīng)力幅不同，難以進(jìn)行直接比較，為此，采用前述最小二乘法回歸S-N曲線（平均值）的方法來(lái)比較。圖5為本文低頻與長(zhǎng)安大學(xué)中高頻的對(duì)焊節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸的S-N曲線（平均值）比較，可見(jiàn)，對(duì)Q345類鋼板對(duì)焊節(jié)點(diǎn)而言，低頻加載的S-N曲線明顯地在中高頻加載的S-N曲線之上，反映前者與后者有很大的差別，前者比后者的疲勞壽命長(zhǎng)或疲勞強(qiáng)度高。如表13，以100萬(wàn)次和200萬(wàn)次壽命為例，低頻的疲勞強(qiáng)度比中高頻的疲勞強(qiáng)度提高了29%和32%。

3 加載頻率對(duì)鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命影響的機(jī)理解釋

前述的研究結(jié)果已表明對(duì)高強(qiáng)度Q460類、普通強(qiáng)度Q345類等的鋼材及其焊接件，低頻與中高頻加載對(duì)它們的疲勞壽命或強(qiáng)度有重要的影響，表現(xiàn)出低頻的疲勞壽命顯著地比中高頻的疲勞壽命長(zhǎng)的特性。究其原因，非常復(fù)雜，機(jī)理可能有以下幾個(gè)方面。盡管如此，還需要金屬材料領(lǐng)域的專家更深入的研究來(lái)揭示規(guī)律。

（1）加載頻率提高會(huì)導(dǎo)致鋼材自熱、溫度上升，引起疲勞強(qiáng)度下降、疲勞壽命縮短，以往不銹鋼超高頻加載的疲勞研究已反映了這一現(xiàn)象［3］。

（2）以往研究反映不同晶體結(jié)構(gòu)的金屬及合金，疲勞性能對(duì)于頻率的敏感程度不盡相同，體心六方金屬（本文研究的鋼材屬于此類金屬）對(duì)于頻率較敏感，密排六方金屬對(duì)頻率不敏感，面心立方金屬在高頻加載條件下對(duì)頻率不敏感；同時(shí)，Q345、Q460等具有由片狀鐵素體和片狀滲碳體交替排列成帶狀組織的微觀結(jié)構(gòu)，滲碳體為強(qiáng)雜的斜方晶體結(jié)構(gòu)，脆性很大，塑性及沖擊韌性幾乎為零，沒(méi)有沖擊韌度的滲碳體提早斷裂，相當(dāng)于材料中產(chǎn)生了微孔洞，微孔洞聚合形成微裂紋，裂紋萌生且容易沿著帶狀珠光體區(qū)擴(kuò)展，這種材料脆性特征在高頻荷載條件下會(huì)放大，從而導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度的下降［4］。

圖5 Q345鋼板對(duì)焊節(jié)點(diǎn)本文低頻與長(zhǎng)安中高頻S-N曲線對(duì)比Fig.5 Comparison of S-N curves of Q345 buttwelded joint between the present paper and those of Chang’an University

（3）低頻與中高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的在工作原理上的差別造成的影響。低頻疲勞試驗(yàn)機(jī)依靠液壓作動(dòng)缸的反復(fù)運(yùn)動(dòng)施加荷載，而中高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)是通過(guò)調(diào)節(jié)配重質(zhì)量使整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)產(chǎn)生共振來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)試件施加動(dòng)力效應(yīng)劇烈的荷載，共振時(shí)激勵(lì)輸入機(jī)械系統(tǒng)的能量大，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)相對(duì)非共振系統(tǒng)更易處于疲勞破壞的狀態(tài)，造成疲勞壽命的降低。

表13 Q345對(duì)焊節(jié)點(diǎn)本文低頻與長(zhǎng)安中高頻疲勞強(qiáng)度比較Tab.13 Comparison of fatigue strength of Q345 butt-welded joint between the present paper and that of Chang’an University

4 結(jié)論

通過(guò)作者成果以及現(xiàn)有文獻(xiàn)的低頻（30Hz以內(nèi)）與中高頻（100Hz左右）加載的疲勞試驗(yàn)結(jié)果比較，研究了荷載頻率對(duì)高強(qiáng)度Q460鋼材及其對(duì)焊節(jié)點(diǎn)、普通強(qiáng)度Q345鋼材對(duì)焊節(jié)點(diǎn)疲勞壽命的影響，得到以下結(jié)論：

（1）無(wú)論是鋼材還是對(duì)焊節(jié)點(diǎn)，低頻加載的疲勞壽命與中高頻加載的疲勞壽命有很大的差別，前者顯著地比后者的疲勞壽命長(zhǎng)或者疲勞強(qiáng)度高。

（2）對(duì)Q460C鋼材，100萬(wàn)次和200萬(wàn)次壽命的低頻加載的疲勞強(qiáng)度（應(yīng)力幅）分別比中高頻加載的疲勞強(qiáng)度提高了27%和33%。

（3）對(duì)Q460D鋼材，100萬(wàn)次和200萬(wàn)次壽命的低頻加載的疲勞強(qiáng)度比中高頻加載的疲勞強(qiáng)度均提高了23%。

（4）對(duì)Q460D鋼板對(duì)焊節(jié)點(diǎn)，低頻加載的疲勞壽命是中高頻加載的疲勞壽命的1.44～14.97倍。

（5）對(duì)Q345鋼板對(duì)焊節(jié)點(diǎn)，100萬(wàn)次和200萬(wàn)次壽命的低頻加載的疲勞強(qiáng)度分別比中高頻加載的疲勞強(qiáng)度提高了29%和32%。

（6）對(duì)承受低頻的疲勞荷載的工程鋼結(jié)構(gòu)，當(dāng)其疲勞性能試驗(yàn)研究選擇疲勞試驗(yàn)機(jī)時(shí)要慎重，應(yīng)切合實(shí)際地采用低頻加載的疲勞試驗(yàn)機(jī)加載，不應(yīng)采用大于低頻的疲勞試驗(yàn)機(jī)加載，否則，會(huì)顯著地低估鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命或疲勞強(qiáng)度。若要采用中高頻加載，應(yīng)得到低頻與中高頻加載的測(cè)試數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

作者貢獻(xiàn)申明：

童樂(lè)為：本課題國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，本研究方案制定者、指導(dǎo)試驗(yàn)人員開(kāi)展研究。

袁一鑫：試驗(yàn)人員之一，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析人員。

牛立超：試驗(yàn)人員之一。

郁琦桐：試驗(yàn)人員之一。

顏 陽(yáng)：本課題研究組織者、問(wèn)題與研究思路提出者。