高速发展的中国高强度钢——疲劳承载力

疲劳是一种损伤机制，由重复或循环荷载的累积作用而产生。一般来说，疲劳破坏分为两个不同的发展阶段：裂纹萌生和裂纹扩展。由于荷载的持续作用，当裂纹扩展至临界尺寸时，要么材料发生屈服（由于有效截面减小，应力超过材料的屈服强度），要么发生脆性断裂（应力水平超过材料在特定使用条件下的断裂韧性时）。本章将讨论高强度钢材的疲劳破坏和疲劳设计，以及在承受疲劳荷载作用的结构中使用高强度钢材而带来的影响。

母材与焊接接头的疲劳性能有明显差异。焊接接头的疲劳性能可能远低于母材的疲劳性能。对于母材而言，其疲劳寿命主要受裂纹萌生的影响，而裂纹萌生的时间一般随钢材强度等级的提高而增加；然而，对于焊接接头而言则有所区别，焊接带来的几何尺寸和材料特性的变化以及高水平的残余应力等等都会影响疲劳性能，从而使焊接接头的疲劳寿命主要受裂纹扩展影响，而疲劳裂纹的扩展基本与材料的强度等级无关。因此，对于大多数焊接结构而言，与Q355钢相比，高强度钢材并没有明显优势。但实际情况可能又有所区别，下文会详细介绍。值得注意的是，对于承受永久荷载远大于可变荷载的结构，或者承受高水平可变荷载且循环次数较少的结构，高强度钢材同样有优势。

设计准则

目前，大多数疲劳设计规则都依赖于经验性的疲劳试验数据，这些数据针对不同的结构细节分别以𝑆-𝑁曲线的形式给出了正应力幅值𝑆和应力循环次数𝑁之间的关系。《钢结构设计标准》GB50017中16.2给出了疲劳计算设计规定，其定义了一系列𝑆-𝑁曲线，这些曲线来自于各类结构构件的恒定应力幅疲劳试验，如双侧施焊的横向全熔透对接焊缝构件。将数据汇总后按应力幅计算式进行统计分析，并绘制成对数曲线。

GB50017的附录K给出了疲劳计算的典型构件和连接分类（可有效适用𝑆-𝑁曲线）。应该注意的是，类别的确定不仅仅依据焊接类型、几何形状和加载方向，还应依据表格中的一些其他要求。不符合这些要求可能会对疲劳强度产生不利的影响。设计人员应该清楚这些限制要求，并应在项目设计及工程图纸中确保该类别的特定要求能够满足。

在实际工程中（相对于理想的试验条件），几乎不存在理想的常幅荷载工况，更多的是钢结构或构件承受变幅荷载。通常使用Miner准则来解决这一问题，Miner准则就是对结构在全生命周期内的累计疲劳损伤进行线性求和，即将每种应力幅求出对应的疲劳寿命，

并将各应力幅所占的损伤率线性叠加：

当所有的损伤率𝑛/𝑁线性叠加等于1时，则认为发生了疲劳破坏，式中𝑛𝑖是荷载作用的循环次数，𝑁𝑖是与应力幅𝑆𝑖相对应的疲劳寿命。

欧盟标准EN1993-1-951主要规定了疲劳设计，其给出的方法与《钢结构设计标准》GB50017基本相似。如果钢材能够满足EN1993-1-10中的韧性要求，则任何强度等级的钢材均可采用EN1993-1-9中的疲劳计算方法。EN1993-1-10中给出了S420、S460和S690钢在N、M和Q等交货状态下的韧性要求。因此，EN1993-1-9适用于高强度钢材。

高强钢的疲劳性能

高强度钢材在承受静载结构中的主要优势是可以通过提高强度减小构件的截面尺寸，从而减少了焊缝尺寸和焊接时间，降低了结构成本；然而由于构件截面尺寸的减小会使结构在承受动载时疲劳性能降低。

通过一个简单的例子说明，假设从Q345到Q460钢的屈服强度增加与疲劳应力幅𝑆相应增加有关（由于截面厚度减少），疲劳寿命𝑁与1/∆𝜎𝛽𝑧成正比（其中𝛽𝑧=3，此参数为𝑆-𝑁曲线的斜率)，应力幅𝑆的增加导致疲劳寿命𝑁降低约58%。很明显，当疲劳应力幅增加的范围与静力强度相当时，材料的强度越高，其疲劳寿命降低的越严重。

众所周知，钢材疲劳强度会随着板厚的增加而降低。因此，大多数规范在规定疲劳设计时都引入了一个板厚修正系数，用于考虑由于板厚引起的焊趾位置处应力集中或应力梯度变化，它对较厚板材的影响比较薄板材的影响更大。《钢结构设计标准》GB50017规定了对于板厚超过25mm的疲劳强度修正系数。因此，对于高强度钢材而言，其截面壁厚相对普通钢较薄，故高强度钢材受板厚影响会小一些，但这种优势基本不做考虑。

疲劳设计和加工的推荐方法

良好的疲劳设计方法可以同时适用于高强度钢材和普通强度钢材，鉴于高强钢焊接结构对疲劳的潜在敏感性，也许其对高强度钢材更适用。设计人员应尽可能地减少疲劳载荷，具体地说，应尽可能避免使用疲劳强度低的结构构造。通过参考各构造类别和对应的𝑆-𝑁曲线，可以很容易地评估各类构造的疲劳性能优劣。由于焊接接头的疲劳性能相对较差，如果可以在应力较低的区域进行焊接连接，从而降低焊接接头对疲劳破坏的敏感性，那么这在疲劳设计中将是十分有利的。

对于高强度钢材而言，设计人员可以考虑Miner准则的累积损伤总和小于1，这将更加保守，而且需逐个项目考虑，并应重点关注疲劳破坏带来的后果。

良好的疲劳设计方法在工程应用时可能会因钢材质量的不合格而出现问题，因此，需更加关注高强度钢材及对应构件的质量。需严格控制焊接质量，确保焊缝充分熔透，控制焊缝几何尺寸，减小局部应力集中。同理，在焊接熔透、焊缝尺寸和无损探伤等方面质量控制的越好，焊缝处的疲劳性能就越好。这将要求钢结构的设计人员和制造商都应承担起责任。设计人员应根据具体项目确定质量要求，以达到预期的疲劳性能；制造商应确保所生产的产品达到相应的质量要求。

提高焊接节点疲劳承载力的方法

在提高抗疲劳性能的技术及机理等方面，目前已经有了一些重大突破。主要研究工作是与国际焊接协会(IIW)一起合作开展的。

提高焊接接头疲劳性能的技术可以分为两类，一类是改进焊趾外形轮廓，另一类是减小焊接残余应力。这两类技术都是为了提高焊接接头的疲劳强度，避免从焊趾处萌生疲劳裂纹。当疲劳裂纹从焊趾以外位置萌生及扩展时（例如从角焊缝或部分熔透焊缝的焊根处萌生），上述两类技术便不再适用。因此，设计人员应考虑到所有可能萌生疲劳裂纹的位置，并确保疲劳设计时涵盖所有可能发生的情况。

控制几何形状旨在降低峰值应力和应力集中系数(SCF)，从而改善焊缝区域的表面质量。除应力集中现象外，焊趾处的初始微裂纹缺陷(其深度约0.1mm)也是引发疲劳裂纹萌生的原因。去除焊缝及附近的初始微裂纹缺陷，降低应力集中程度，从而可以提高疲劳寿命。改善焊趾外形轮廓的技术包括表面处理以降低表面粗糙度，或采用钨极气体保护焊(TIG)进行焊趾重熔以实现平滑过渡。

残余应力技术是指在在焊趾区域引入很高的残余压应力。类似于改善焊趾外形轮廓，这类技术也能改善表面质量并降低应力集中系数。此类技术包括锤击、针形件锤击和高频冲击处理(HFMI)。

焊趾改善技术的成本效益需要通过全生命周期成本的方法进行论证。这些技术将增加初始建造成本，然而，与解决结构后期疲劳开裂的维护成本相比，这些新增的初始成本可能是微不足道的。例如，一条重要干线上的公路桥在服役期间的任何干预成本都可能相当大。

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