鋼結(jié)構(gòu)角焊縫低溫抗剪疲勞性能的試驗(yàn)研究

王元清，顧浩洋，廖小偉

(土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)土木工程系，北京 100084)

針對(duì)不同工程領(lǐng)域中的鋼結(jié)構(gòu)所開(kāi)展的疲勞問(wèn)題研究許多需要考慮溫度低于室溫環(huán)境的條件。較典型的低溫條件有：地面交通工具、建筑結(jié)構(gòu)、管線、航空器，溫度可低至219 K(-54 ℃)；天然氣儲(chǔ)存運(yùn)輸工具，溫度可低至110 K(-163 ℃)；液氮儲(chǔ)存和運(yùn)輸罐，溫度可低至77 K(-196 ℃)；太空結(jié)構(gòu)，溫度可低至20 K(-253 ℃)；超導(dǎo)電機(jī)，溫度可低至4 K(-269 ℃)[1]。

目前對(duì)常溫下的鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能的研究較為全面。就疲勞問(wèn)題研究的尺度而言，有材料層面的疲勞[2-4]、構(gòu)造細(xì)節(jié)層面的疲勞[5]以及結(jié)構(gòu)層面的疲勞[6]。就研究方法而言，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從S-N曲線評(píng)估方法、損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)以及疲勞可靠度等角度對(duì)常溫下的疲勞問(wèn)題進(jìn)行了研究[7-9]。各國(guó)規(guī)范中已經(jīng)廣泛采用S-N曲線用于構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞設(shè)計(jì)。相比于常溫下的疲勞研究，鋼結(jié)構(gòu)的低溫疲勞研究尚不完善，低溫條件下的試驗(yàn)研究不足，而各類評(píng)估方法在低溫條件下的適用性也沒(méi)有明確的結(jié)論。正如文獻(xiàn)[1]所指出的，確實(shí)存在一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以說(shuō)明低溫條件下的常幅值疲勞性能不低于室溫下的疲勞性能，但同樣也有數(shù)據(jù)與之相悖。同時(shí)這還沒(méi)有考慮到低溫下的變幅疲勞問(wèn)題。而在實(shí)際工程中，低溫環(huán)境下的疲勞斷裂事故使得研究者不得不正視這一問(wèn)題。

國(guó)外學(xué)者對(duì)于低溫疲勞問(wèn)題的研究起步較早，F(xiàn)orrest[10]最早研究了幾類合金金屬的低溫疲勞性能；而國(guó)內(nèi)對(duì)于低溫疲勞的研究始于20世紀(jì)90年代渤海老二號(hào)平臺(tái)倒塌事故系列研究[11]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究低溫疲勞問(wèn)題，主要的2個(gè)切入點(diǎn)：1) 試圖給出低溫環(huán)境下的S-N疲勞曲線，與常溫條件下做比對(duì)；2) 給出低溫環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律的擬合關(guān)系。前者往往會(huì)得到低溫條件下材料或者構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞性能略好于常溫的結(jié)論[12-13]，但也有例外，特別是Shul’ginov等[14]對(duì)低合金鋼材及其焊接接頭在-60 ℃的反復(fù)沖擊荷載下的疲勞強(qiáng)度低于常溫，該結(jié)果說(shuō)明正弦波加載的疲勞試驗(yàn)未必能反映實(shí)際結(jié)構(gòu)在低溫下的疲勞性能。而后者的研究中，有中國(guó)學(xué)者(賈蘭星等)得到在斷裂韌性指標(biāo)達(dá)到某一臨界值后，裂紋擴(kuò)展速率會(huì)快于常溫下的結(jié)論[15]，也有學(xué)者針對(duì)橋梁鋼的試驗(yàn)得到相反的結(jié)論[16]。

綜上所述，現(xiàn)有的研究中針對(duì)低溫環(huán)境下的疲勞性能試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)還較為匱乏，特別缺少變幅值或非典型正弦荷載幅下的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)構(gòu)造細(xì)節(jié)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也不足；低溫下的裂紋擴(kuò)展速率、疲勞斷裂應(yīng)力因子門檻值等的研究也不夠充分，難以得到確定性的研究結(jié)果。

本文針對(duì)使用Q345B鋼材加工焊接形成的兩類角焊縫連接構(gòu)造細(xì)節(jié)在不同溫度點(diǎn)下進(jìn)行拉伸疲勞試驗(yàn)，由于在此類試驗(yàn)中焊縫受剪應(yīng)力作用，故可根據(jù)該結(jié)果得到在不同溫度下焊縫抗剪疲勞性能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以期補(bǔ)充這方面的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)取0 ℃、-20 ℃、-40 ℃三個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，并與常溫條件(20 ℃)下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

1 試驗(yàn)概況

根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的夾持條件和加載能力設(shè)計(jì)試件的尺寸，由于試件的尺寸較大，在試樣中設(shè)計(jì)了穿銷接頭進(jìn)行加載，同時(shí)在試樣中預(yù)留穿銷孔。為了保證鋼材截面的強(qiáng)度不會(huì)由于打孔而顯著削弱，在兩側(cè)加持段將連接板的寬度適當(dāng)加大，防止疲勞破壞發(fā)生在穿銷孔中。試驗(yàn)設(shè)計(jì)參考金屬軸向疲勞試驗(yàn)方法GB/T 3075―2008[17]，模擬了兩類角焊縫連接構(gòu)造細(xì)節(jié)。為避免焊接變形過(guò)大，因此，先將試樣焊接完畢后再打穿銷孔。

1.1 試件設(shè)計(jì)

兩類側(cè)面角焊縫構(gòu)造細(xì)節(jié)的試件尺寸如圖2和圖3所示，蓋板采用8 mm薄鋼板，被連接件選用12 mm薄鋼板，焊腳尺寸為5 mm。試樣所用的鋼材為Q345B鋼材，焊條采用的是E4303普通焊條。鋼材質(zhì)量保證書提供的化學(xué)成分及材性數(shù)據(jù)如表1及表2所示，滿足《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 1591―2008)中的規(guī)定[18]。

根據(jù)ASTM E739―10規(guī)范的要求[19]，確保每個(gè)溫度條件下至少有10個(gè)有效試樣，每種構(gòu)造細(xì)節(jié)的試樣預(yù)留至少5個(gè)，以防止出現(xiàn)某些無(wú)效試樣。該規(guī)范規(guī)定了重復(fù)試驗(yàn)百分比不低于50%~75%。

圖1 側(cè)面角焊縫接頭試件尺寸圖 /mmFig.1 Side fillet welded specimen

1.2 加載方案

所有的疲勞試驗(yàn)為應(yīng)力比0.1的高周疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力為試驗(yàn)中的控制參量。針對(duì)兩類構(gòu)造細(xì)節(jié)，得到受剪切作用的疲勞S-N曲線。由于一般以200萬(wàn)次循環(huán)視作疲勞質(zhì)量等級(jí)，因此，重點(diǎn)研究疲勞壽命Nf范圍在5×104≤N≤2×106段的疲勞曲線。

圖2 正面角焊縫接頭試件尺寸圖 /mmFig.2 Front fillet welded specimen

表1 鋼材化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of steel

表2 鋼材力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of steel

具體試驗(yàn)方案如下：

1) 疲勞試驗(yàn)中交變荷載的頻率為與試件固有頻率發(fā)生共振時(shí)的頻率。

2) 取應(yīng)力比為固定值0.1，根據(jù)靜力計(jì)算得到的焊縫剪切屈服強(qiáng)度的0.7倍~0.8倍初步確定最大荷載Nmax。

3) 在最大荷載的基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果調(diào)整第2級(jí)、第3級(jí)、第4級(jí)和第5級(jí)加載荷載，使得試樣的疲勞壽命大致分布在所要研究的疲勞曲線的區(qū)間內(nèi)，且較為均勻地分布。

4) 用5個(gè)應(yīng)力幅水平記錄下來(lái)的10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的名義剪應(yīng)力幅-疲勞破壞次數(shù)關(guān)系擬合出兩類構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞S-N曲線，即名義應(yīng)力-壽命曲線，并在不同溫度點(diǎn)下重復(fù)試驗(yàn)。

5) 對(duì)于荷載取值，由于兩類構(gòu)造細(xì)節(jié)的焊縫抗剪切靜力強(qiáng)度存在一定差異，因此，存在一定的差異性。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用的是長(zhǎng)春機(jī)械科學(xué)研究院的高頻拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī)GPS200，該試驗(yàn)機(jī)的最大靜負(fù)載為±200 kN，最大動(dòng)負(fù)載為100 kN，試驗(yàn)機(jī)的加載頻率范圍為80 Hz~250 Hz。

試驗(yàn)系統(tǒng)可以分為加載裝置、控制系統(tǒng)、低溫箱等部分，如圖3。加載裝置主要進(jìn)行試樣的安裝和試驗(yàn)；控制計(jì)算機(jī)通過(guò)輸入交變荷載和平均荷載控制疲勞加載幅值；低溫箱中注入液氮及空氣的混合物，使得箱體中維持試驗(yàn)所需要的溫度，試驗(yàn)開(kāi)始前至少保持目標(biāo)溫度5 min以上。

圖3 試驗(yàn)設(shè)備示意圖Fig.3 Test equipment component

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

由于本試驗(yàn)為拉-拉循環(huán)試驗(yàn)，故可以避免試樣因失穩(wěn)造成其他類型的破壞。低溫試樣的破壞模式與常溫下的類似(見(jiàn)圖4)：對(duì)于側(cè)面角焊縫接頭試樣，裂紋的位置為靠近焊縫的蓋板母材熱影響區(qū)；對(duì)于正面角焊縫接頭試樣，裂紋的位置為焊縫起點(diǎn)，并沿著焊縫貫穿。

試樣穿銷處截面有一定程度的削弱，試驗(yàn)中的少數(shù)試樣出現(xiàn)了裂紋在穿銷孔處萌生的情況，這類試驗(yàn)數(shù)據(jù)予以舍去，如圖5。

初步分析2類疲勞破壞的形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)生疲勞破壞的位置與試樣的應(yīng)力集中位置基本吻合。側(cè)面角焊縫試樣的應(yīng)力流線在接頭處不連續(xù)，因而，會(huì)在焊縫處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，故在焊縫附件的蓋板母材熱影響區(qū)破壞。而正面角焊縫試樣雖然應(yīng)力流線較為平順，但是焊縫處存在焊接殘余應(yīng)力，同時(shí)焊材中可能存在微觀缺陷，致使疲勞裂紋在焊縫中萌生。

圖4 試件破壞形態(tài)Fig.4 Failure of specimen

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在3個(gè)低溫環(huán)境下(0℃、-20℃、-40℃)對(duì)于側(cè)面角焊縫搭接接頭和正面角焊縫搭接接頭兩類細(xì)節(jié)，分別進(jìn)行了5級(jí)荷載，即5個(gè)應(yīng)力水平的試驗(yàn)，但是由于試驗(yàn)過(guò)程中的不確定因素(如機(jī)器加載波形故障、試樣200萬(wàn)次未破壞等)，特別是裂紋在孔洞處萌生的情況造成一些明顯不合理的數(shù)據(jù)點(diǎn)，最終對(duì)每種試樣類型每個(gè)溫度點(diǎn)各得到10個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果處理，記錄下每個(gè)試件的名義應(yīng)力幅、固有頻率及疲勞壽命如表3、表4所示。

圖5 裂紋萌生在孔洞處Fig.5 Crack initiation in hole

表3 側(cè)面角焊縫搭接接頭試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of side fillet welded specimens

從表3的數(shù)據(jù)可以看出：

1) 側(cè)面角焊縫搭接接頭的疲勞破壞次數(shù)隨著荷載等級(jí)即最大荷載的減小是呈逐漸增大的趨勢(shì)，但由于疲勞試驗(yàn)的一些不可控因素，每級(jí)荷載記錄下的4個(gè)疲勞破壞次數(shù)出現(xiàn)一定程度的離散性。同時(shí)，雖然有些數(shù)據(jù)點(diǎn)不滿足上述規(guī)律，但是就每級(jí)荷載下疲勞破壞次數(shù)的平均值而言，增長(zhǎng)趨勢(shì)很明顯。

2) 不同試樣的固有頻率呈現(xiàn)出一定程度的波動(dòng)，但是在124.4 Hz~137.6 Hz內(nèi)進(jìn)行波動(dòng)，變化較小。

3) 雖然部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)的離散性使得規(guī)律不那么明顯，但是從總體趨勢(shì)上來(lái)看，側(cè)面角焊縫試樣的疲勞壽命隨著溫度的降低呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

綜上所述，根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)作出側(cè)面角焊縫細(xì)節(jié)對(duì)應(yīng)的S-N曲線是合理的。

從表4可知：

1) 正面角焊縫疲勞試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律與側(cè)面角焊縫類似，同一荷載等級(jí)下的疲勞壽命數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出一定的離散性，同時(shí)其符合疲勞壽命隨著應(yīng)力水平降低而增高的總體趨勢(shì)。

2) 不同試樣的固有頻率呈現(xiàn)出一定程度的波動(dòng)，但是在119 Hz~130.7 Hz波動(dòng)。

由于正面角焊縫試件的焊縫數(shù)量較少，且長(zhǎng)度較短，因此，剪切應(yīng)力幅值相對(duì)于側(cè)面角焊縫試件而言較大。正面角焊縫的有效截面上同時(shí)承受正應(yīng)力和剪切應(yīng)力，因而，這里的剪切應(yīng)力幅是以焊縫在剪切狀態(tài)下的名義剪切應(yīng)力規(guī)定的。在靜力條件下，正面角焊縫的強(qiáng)度比側(cè)面角焊縫大，從兩組數(shù)據(jù)對(duì)比中，疲勞加載條件下，正面角焊縫的抗剪力也較大。另外，從數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)低溫對(duì)正面角焊縫試樣的疲勞壽命影響不明顯，主要由焊接情況確定。

表4 正面角焊縫搭接接頭試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of front fillet welded specimens

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 S-N曲線擬合

對(duì)側(cè)面和正面角焊縫搭接接頭在低溫下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行自然擬合所得S-N曲線如圖6所示。圖中坐標(biāo)采用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)。由于該試驗(yàn)中應(yīng)力幅值水平S系人為確定，壽命N為隨機(jī)變量，在擬合中用N對(duì)S擬合；虛線為擬合的均值曲線加減兩倍標(biāo)準(zhǔn)差得到的曲線。

將不同溫度下的自然擬合結(jié)果：公式、線性相關(guān)系數(shù)的平方值R2、標(biāo)準(zhǔn)差D，列于表5中。從總體的擬合效果來(lái)看，各個(gè)溫度點(diǎn)下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)都較好地符合雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的線性擬合關(guān)系。觀察數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布可以發(fā)現(xiàn)基本都落在具有97.5%置信度的離散帶內(nèi)。兩者擬合結(jié)果的斜率有明顯的差異：側(cè)面角焊縫試樣的擬合結(jié)果斜率在2.8~3.3，正面角焊縫試樣的擬合結(jié)果斜率在5.3~6.3，體現(xiàn)了這2種構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞破壞結(jié)果的顯著不同。若以N=2×106時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅值S作為構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度，側(cè)面角焊縫試樣的疲勞強(qiáng)度低于正面角焊縫的。

3.2 低溫與常溫試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

將低溫下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果與同樣構(gòu)造細(xì)節(jié)的常溫下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比[20]，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于側(cè)面角焊縫的試樣而言，低溫環(huán)境提高了連接細(xì)節(jié)的疲勞壽命；而正面角焊縫試樣的試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出了較大的離散型，在常溫到-40℃的溫度區(qū)間內(nèi)低溫對(duì)疲勞壽命的影響并不明顯，低溫疲勞性能主要受到焊接過(guò)程的控制。

若以N=2×106時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅值S作為構(gòu)造細(xì)節(jié)的強(qiáng)度。對(duì)于側(cè)面角焊縫試樣來(lái)說(shuō)，從-40 ℃~20 ℃，其疲勞強(qiáng)度依次為：71.89 MPa、67.17 MPa、45.36 MPa、66.50 MPa；對(duì)于正面角焊縫試樣來(lái)說(shuō)，從-40 ℃~20 ℃，其疲勞強(qiáng)度依次為：125.14 MPa、115.90 MPa、104.31 MPa、119.85 MPa。

將低溫下的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)與常溫下的數(shù)據(jù)繪制在同一張圖表中，如圖7、圖8所示。

表5 各個(gè)溫度點(diǎn)下的數(shù)據(jù)擬合情況Table 5 Fitting results at various temperatures

圖6 各個(gè)溫度點(diǎn)下的擬合曲線圖Fig.6 Fitting curves at various temperatures

綜上所述，本次試驗(yàn)中針對(duì)2種構(gòu)造細(xì)節(jié)做的低溫疲勞試驗(yàn)表明：焊接鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在低溫下的疲勞試驗(yàn)離散性較大，其中側(cè)面角焊縫試樣試驗(yàn)結(jié)果的離散程度低于正面角焊縫試樣的，對(duì)于前者來(lái)說(shuō)，低溫提高了節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命，但對(duì)于后者而言，疲勞壽命受溫度的影響并不顯著。

圖7 側(cè)面角焊縫試樣不同溫度下數(shù)據(jù)Fig.7 Data of side fillet welded specimens at various temperatures

圖8 正面角焊縫試樣不同溫度下數(shù)據(jù)Fig.8 Data of front fillet welded specimens at various temperatures

4 結(jié)論

(1) 側(cè)面角焊縫試樣在低溫下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果與正面角焊縫試樣顯著不同，應(yīng)當(dāng)作為兩類構(gòu)造細(xì)節(jié)看待。擬合曲線斜率差異較大。正面角焊縫的疲勞強(qiáng)度高于側(cè)面角焊縫的。

(2) 側(cè)面角焊縫試樣在低溫下的疲勞性能好于常溫下的疲勞性能，而低溫對(duì)正面角焊縫試樣的疲勞性能的影響并不明顯。

(3) 低溫下構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞性能與常溫下存在一定的差異。但是如果需要將這種差異考慮到規(guī)范設(shè)計(jì)條文中，則需要進(jìn)行更多的低溫下不同構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞試驗(yàn)。同時(shí)，由于構(gòu)造細(xì)節(jié)不同于材料性能檢測(cè)，受到焊接工藝等因素的影響，因此，需要更大量的試驗(yàn)，并結(jié)合斷裂力學(xué)等方法進(jìn)行更加細(xì)致的機(jī)理研究。