土木工程视角下高层钢结构梁柱焊接节点风致疲劳寿命预测研究

1.2  国内外研究现状 

  关于焊接接头或构件的高周疲劳试验已经开展得较为成熟，其中部分研究针对焊接接头标准试件进行了大量的疲劳试验，并且积累了较多试验数据，给寿命预测曲线的提出以及方法的对比提供了极大的便利，如 Cavaliere 和 Nobile 等[4]通过高周疲劳试验研究了不同 2024 和 7075 铝搅拌摩擦焊（FSW）连接接头的力学和微观结构特性；Sonsino[5]介绍了在高周疲劳试验中如何清晰地描述荷载谱和测试条件以及如何进行变幅疲劳试验结果数据的统计；张宏、李久楷等[6]通过疲劳试验，得到了母材以及焊接接头的应力-寿命曲线，并确定了裂纹的萌生和扩展区。在标准试件试验的基础上，还有部分研究人员对程中的焊接构件进行了高周疲劳试验，如 Sim 和 Uang[7]进行了全尺寸正交异性钢桥面板的疲劳试验，以评估肋与板连接焊缝处的部分融透焊接接头的疲劳性能；Frýba 和 Gajdoš[8]研究了开放肋钢轨桥正交异性桥面板的疲劳性能，采用了多种几何形式的试件进行了疲劳试验。由于高周疲劳试验通常涉及极高的循环次数，这就对疲劳试验机的频率参数提出了较高的要求，因此在实际试验中如何采用等效的、更为快速的试验方法进行试验，是该课题接下来的研究重点。 在高周疲劳范围内，构件基本保持弹性应力状态，从获取裂纹萌生寿命这一目标来说，通常以应力作为评价指标进行寿命预测，而从应力选择角度进行划分，大致分为 3 个不同层次的寿命预测方法，即名义应力法、结构应力法以及局部应力法；而如果从获取裂纹扩展寿命这一目标来说，适用的方法为弹性断裂力学法。除此之外，还有一类基于应变能密度的寿命预测方法，此类方法较为特殊，可以同时获取裂纹萌生寿命以及裂纹扩展寿命。 某焊接接头的应力情况如图 1.7 所示，将远离焊趾截面处某截面的应力定义为名义应力，随着距焊趾距离的减小，应力由于应力集中效应而逐渐增大，该区域内应力与距离之间的关系近似保持线性增长关系，此时将焊缝局部产生的非线性应力剔除，剩下的应力之和即可被定义为结构应力，随着距焊趾距离的进一步减小，应力逐渐非线性增大且最终在焊趾处达到最大值，而如在焊趾处将所有应力包含在内，则此时的应力即可被称为局部应力或缺口应力。由此可见，焊缝焊趾处的应力状态随着远离焊趾，可以清晰地分为局部应力、结构应力和名义应力，由此即可定义相应的寿命预测方法，如基于名义应力的名义应力法、基于结构应力的热点应力法和等效结构应力法以及基于局部应力的缺口应力法和临界距离法等。