钢结构角焊缝低温抗剪疲劳性能的试验研究

2020-01-17王元清顾浩洋廖小伟

工程力学 2020年1期

王元清，顾浩洋，廖小伟

(土木工程安全与耐久教育部重点实验室，清华大学土木工程系，北京 100084)

针对不同工程领域中的钢结构所开展的疲劳问题研究许多需要考虑温度低于室温环境的条件。较典型的低温条件有：地面交通工具、建筑结构、管线、航空器，温度可低至219 K(-54 ℃)；天然气储存运输工具，温度可低至110 K(-163 ℃)；液氮储存和运输罐，温度可低至77 K(-196 ℃)；太空结构，温度可低至20 K(-253 ℃)；超导电机，温度可低至4 K(-269 ℃)[1]。

目前对常温下的钢结构疲劳性能的研究较为全面。就疲劳问题研究的尺度而言，有材料层面的疲劳[2-4]、构造细节层面的疲劳[5]以及结构层面的疲劳[6]。就研究方法而言，国内外学者从S-N曲线评估方法、损伤力学、断裂力学以及疲劳可靠度等角度对常温下的疲劳问题进行了研究[7-9]。各国规范中已经广泛采用S-N曲线用于构造细节的疲劳设计。相比于常温下的疲劳研究，钢结构的低温疲劳研究尚不完善，低温条件下的试验研究不足，而各类评估方法在低温条件下的适用性也没有明确的结论。正如文献[1]所指出的，确实存在一些试验数据可以说明低温条件下的常幅值疲劳性能不低于室温下的疲劳性能，但同样也有数据与之相悖。同时这还没有考虑到低温下的变幅疲劳问题。而在实际工程中，低温环境下的疲劳断裂事故使得研究者不得不正视这一问题。

国外学者对于低温疲劳问题的研究起步较早，Forrest[10]最早研究了几类合金金属的低温疲劳性能；而国内对于低温疲劳的研究始于20世纪90年代渤海老二号平台倒塌事故系列研究[11]。国内外学者研究低温疲劳问题，主要的2个切入点：1) 试图给出低温环境下的S-N疲劳曲线，与常温条件下做比对；2) 给出低温环境下的疲劳裂纹扩展规律的拟合关系。前者往往会得到低温条件下材料或者构造细节的疲劳性能略好于常温的结论[12-13]，但也有例外，特别是Shul’ginov等[14]对低合金钢材及其焊接接头在-60 ℃的反复冲击荷载下的疲劳强度低于常温，该结果说明正弦波加载的疲劳试验未必能反映实际结构在低温下的疲劳性能。而后者的研究中，有中国学者(贾兰星等)得到在断裂韧性指标达到某一临界值后，裂纹扩展速率会快于常温下的结论[15]，也有学者针对桥梁钢的试验得到相反的结论[16]。

综上所述，现有的研究中针对低温环境下的疲劳性能试验研究数据还较为匮乏，特别缺少变幅值或非典型正弦荷载幅下的疲劳试验数据，同时构造细节的试验数据也不足；低温下的裂纹扩展速率、疲劳断裂应力因子门槛值等的研究也不够充分，难以得到确定性的研究结果。

本文针对使用Q345B钢材加工焊接形成的两类角焊缝连接构造细节在不同温度点下进行拉伸疲劳试验，由于在此类试验中焊缝受剪应力作用，故可根据该结果得到在不同温度下焊缝抗剪疲劳性能的试验数据，以期补充这方面的试验研究。试验取0 ℃、-20 ℃、-40 ℃三个温度点进行试验，并与常温条件(20 ℃)下的试验数据进行对比。

1 试验概况

根据试验机的夹持条件和加载能力设计试件的尺寸，由于试件的尺寸较大，在试样中设计了穿销接头进行加载，同时在试样中预留穿销孔。为了保证钢材截面的强度不会由于打孔而显著削弱，在两侧加持段将连接板的宽度适当加大，防止疲劳破坏发生在穿销孔中。试验设计参考金属轴向疲劳试验方法GB/T 3075―2008[17]，模拟了两类角焊缝连接构造细节。为避免焊接变形过大，因此，先将试样焊接完毕后再打穿销孔。

1.1 试件设计

两类侧面角焊缝构造细节的试件尺寸如图2和图3所示，盖板采用8 mm薄钢板，被连接件选用12 mm薄钢板，焊脚尺寸为5 mm。试样所用的钢材为Q345B钢材，焊条采用的是E4303普通焊条。钢材质量保证书提供的化学成分及材性数据如表1及表2所示，满足《低合金高强度结构钢》(GB/T 1591―2008)中的规定[18]。

根据ASTM E739―10规范的要求[19]，确保每个温度条件下至少有10个有效试样，每种构造细节的试样预留至少5个，以防止出现某些无效试样。该规范规定了重复试验百分比不低于50%~75%。

图1 侧面角焊缝接头试件尺寸图 /mmFig.1 Side fillet welded specimen

1.2 加载方案

所有的疲劳试验为应力比0.1的高周疲劳试验，应力为试验中的控制参量。针对两类构造细节，得到受剪切作用的疲劳S-N曲线。由于一般以200万次循环视作疲劳质量等级，因此，重点研究疲劳寿命Nf范围在5×104≤N≤2×106段的疲劳曲线。

图2 正面角焊缝接头试件尺寸图 /mmFig.2 Front fillet welded specimen

表1 钢材化学成分Table 1 Chemical composition of steel

表2 钢材力学性能Table 2 Mechanical properties of steel

具体试验方案如下：

1) 疲劳试验中交变荷载的频率为与试件固有频率发生共振时的频率。

2) 取应力比为固定值0.1，根据静力计算得到的焊缝剪切屈服强度的0.7倍~0.8倍初步确定最大荷载Nmax。

3) 在最大荷载的基础上，根据试验的结果调整第2级、第3级、第4级和第5级加载荷载，使得试样的疲劳寿命大致分布在所要研究的疲劳曲线的区间内，且较为均匀地分布。

4) 用5个应力幅水平记录下来的10个数据点的名义剪应力幅-疲劳破坏次数关系拟合出两类构造细节的疲劳S-N曲线，即名义应力-寿命曲线，并在不同温度点下重复试验。

5) 对于荷载取值，由于两类构造细节的焊缝抗剪切静力强度存在一定差异，因此，存在一定的差异性。

1.3 试验设备

试验设备采用的是长春机械科学研究院的高频拉压疲劳试验机GPS200，该试验机的最大静负载为±200 kN，最大动负载为100 kN，试验机的加载频率范围为80 Hz~250 Hz。

试验系统可以分为加载装置、控制系统、低温箱等部分，如图3。加载装置主要进行试样的安装和试验；控制计算机通过输入交变荷载和平均荷载控制疲劳加载幅值；低温箱中注入液氮及空气的混合物，使得箱体中维持试验所需要的温度，试验开始前至少保持目标温度5 min以上。

图3 试验设备示意图Fig.3 Test equipment component

2 试验结果

2.1 试验现象

由于本试验为拉-拉循环试验，故可以避免试样因失稳造成其他类型的破坏。低温试样的破坏模式与常温下的类似(见图4)：对于侧面角焊缝接头试样，裂纹的位置为靠近焊缝的盖板母材热影响区；对于正面角焊缝接头试样，裂纹的位置为焊缝起点，并沿着焊缝贯穿。

试样穿销处截面有一定程度的削弱，试验中的少数试样出现了裂纹在穿销孔处萌生的情况，这类试验数据予以舍去，如图5。

初步分析2类疲劳破坏的形态，可以发现发生疲劳破坏的位置与试样的应力集中位置基本吻合。侧面角焊缝试样的应力流线在接头处不连续，因而，会在焊缝处产生较大的应力集中，故在焊缝附件的盖板母材热影响区破坏。而正面角焊缝试样虽然应力流线较为平顺，但是焊缝处存在焊接残余应力，同时焊材中可能存在微观缺陷，致使疲劳裂纹在焊缝中萌生。

图4 试件破坏形态Fig.4 Failure of specimen

2.2 试验数据

在3个低温环境下(0℃、-20℃、-40℃)对于侧面角焊缝搭接接头和正面角焊缝搭接接头两类细节，分别进行了5级荷载，即5个应力水平的试验，但是由于试验过程中的不确定因素(如机器加载波形故障、试样200万次未破坏等)，特别是裂纹在孔洞处萌生的情况造成一些明显不合理的数据点，最终对每种试样类型每个温度点各得到10个有效数据点进行试验结果处理，记录下每个试件的名义应力幅、固有频率及疲劳寿命如表3、表4所示。

图5 裂纹萌生在孔洞处Fig.5 Crack initiation in hole

表3 侧面角焊缝搭接接头试验结果Table 3 Test results of side fillet welded specimens

从表3的数据可以看出：

1) 侧面角焊缝搭接接头的疲劳破坏次数随着荷载等级即最大荷载的减小是呈逐渐增大的趋势，但由于疲劳试验的一些不可控因素，每级荷载记录下的4个疲劳破坏次数出现一定程度的离散性。同时，虽然有些数据点不满足上述规律，但是就每级荷载下疲劳破坏次数的平均值而言，增长趋势很明显。

2) 不同试样的固有频率呈现出一定程度的波动，但是在124.4 Hz~137.6 Hz内进行波动，变化较小。

3) 虽然部分数据点的离散性使得规律不那么明显，但是从总体趋势上来看，侧面角焊缝试样的疲劳寿命随着温度的降低呈现上升趋势。

综上所述，根据表3中的数据作出侧面角焊缝细节对应的S-N曲线是合理的。

从表4可知：

1) 正面角焊缝疲劳试验结果规律与侧面角焊缝类似，同一荷载等级下的疲劳寿命数据呈现出一定的离散性，同时其符合疲劳寿命随着应力水平降低而增高的总体趋势。

2) 不同试样的固有频率呈现出一定程度的波动，但是在119 Hz~130.7 Hz波动。

由于正面角焊缝试件的焊缝数量较少，且长度较短，因此，剪切应力幅值相对于侧面角焊缝试件而言较大。正面角焊缝的有效截面上同时承受正应力和剪切应力，因而，这里的剪切应力幅是以焊缝在剪切状态下的名义剪切应力规定的。在静力条件下，正面角焊缝的强度比侧面角焊缝大，从两组数据对比中，疲劳加载条件下，正面角焊缝的抗剪力也较大。另外，从数据中可以发现低温对正面角焊缝试样的疲劳寿命影响不明显，主要由焊接情况确定。

表4 正面角焊缝搭接接头试验结果Table 4 Test results of front fillet welded specimens

3 试验结果分析

3.1 S-N曲线拟合

对侧面和正面角焊缝搭接接头在低温下的试验结果进行自然拟合所得S-N曲线如图6所示。图中坐标采用双对数坐标。由于该试验中应力幅值水平S系人为确定，寿命N为随机变量，在拟合中用N对S拟合；虚线为拟合的均值曲线加减两倍标准差得到的曲线。

将不同温度下的自然拟合结果：公式、线性相关系数的平方值R2、标准差D，列于表5中。从总体的拟合效果来看，各个温度点下的试验数据都较好地符合双对数坐标下的线性拟合关系。观察数据点的分布可以发现基本都落在具有97.5%置信度的离散带内。两者拟合结果的斜率有明显的差异：侧面角焊缝试样的拟合结果斜率在2.8~3.3，正面角焊缝试样的拟合结果斜率在5.3~6.3，体现了这2种构造细节疲劳破坏结果的显著不同。若以N=2×106时对应的应力幅值S作为构造细节的疲劳强度，侧面角焊缝试样的疲劳强度低于正面角焊缝的。

3.2 低温与常温试验结果对比

将低温下的疲劳试验结果与同样构造细节的常温下的疲劳试验结果进行对比[20]，可以发现对于侧面角焊缝的试样而言，低温环境提高了连接细节的疲劳寿命；而正面角焊缝试样的试验结果表现出了较大的离散型，在常温到-40℃的温度区间内低温对疲劳寿命的影响并不明显，低温疲劳性能主要受到焊接过程的控制。

若以N=2×106时对应的应力幅值S作为构造细节的强度。对于侧面角焊缝试样来说，从-40 ℃~20 ℃，其疲劳强度依次为：71.89 MPa、67.17 MPa、45.36 MPa、66.50 MPa；对于正面角焊缝试样来说，从-40 ℃~20 ℃，其疲劳强度依次为：125.14 MPa、115.90 MPa、104.31 MPa、119.85 MPa。

将低温下的疲劳试验数据与常温下的数据绘制在同一张图表中，如图7、图8所示。