［摘要］本文分析了管結構節點疲勞產生的原因，提出了管節點疲勞設計的方法和抗疲勞設計的一般原則
關鍵詞 管節點 疲勞設計
一、焊接結構的疲勞問題
1.疲勞現象
疲勞定義為由重復應力引起裂紋緩慢擴展而造成結構部件的損傷。疲勞斷裂通常是一種低名義應力破壞，它和脆性斷裂有許多相同或相近的特點，例如斷裂前性變形很小，斷口平齊。但其本質與一般脆斷不同。對焊接結構而言，在反復荷載作用下，焊接接頭的疲勞破壞占結構破壞很大部分。究其原因一般有以下兩點：
（1）應力集中的影響
焊接接頭的外型幾何變化以及因焊接而帶來的未溶合，未焊透、氣孔、夾碴、裂紋等焊接缺陷所形成的幾何不連續使焊縫區出現了明顯的應力集中，尤以焊處處突出。
（2）焊接殘余應力的影響
焊接熱過程使焊接接頭周圍形成了自身平衡的縱向和橫向殘余應力，其值在焊縫附近通常會達到材料的屈服點。殘余拉應力的存在極易引發疲勞裂紋，同時疲勞裂紋的擴展速率也可能因殘余拉應力而增大。在焊接接頭中，應力集中點經常和高值的殘余拉應力點重合，使疲勞問題更加突出。
2.疲勞強度
疲勞破壞一般分為裂紋萌生、裂紋穩定擴展和最終失穩斷裂二個階段。焊接接頭的疲勞強度主要由以下兩點決定：
（1）裂紋萌生過程，它取決于焊縫的焊趾和焊根處的局部缺口應力狀態；
（2）裂紋擴展過程，它取決于裂紋（包括缺口效應在內）的應力強度因子。
絕大多數焊接接頭的疲勞裂紋產生在焊趾處，其疲勞壽命主要由裂紋生長擴展決定。顯然接頭的最大缺口應力和應力強度因子決定其疲勞強度。按斷裂力學原理，缺口尖端的應力強度因子可寫成
式中，y（c），y（a）為幾何修正系數，。σ為垂直于裂紋的名義應力，2c為半橢圓形表面裂紋長度，α為裂紋深度，α/c=e"。事實上，發生在焊縫處的疲勞裂紋多數都會進入焊接熱影響區或母材之中，從實用出發，只要最大缺口應力及應力強度因子與構件的基本名義應力成正比，便可認定它們取決于相鄰母材的名義應力而不取決于靜載作用下起決定性作用的焊縫名義應力。
3焊接接頭疲勞強度分析方法
對焊接接頭疲勞強度而言，由于局部最大應力實際上起著主導作用。因此焊接接頭的疲勞強度分析方法可有4個不同的層次：即名義應力評定法、結構應力評定法、缺口應力評定法和斷裂安全性評定法。這4種方法既可相互配合使用，又可各自單獨使用。
（1）名義應力評定方法是用材料力學方法來確定構件斷面上的名義應力是否小于疲斷裂時的持久名義應力。該方法是用得十分廣泛的基本方法。名義應力寫作σN。
(2)結構應力評定方法要求除名義應力外還應采用解析或有限元法確定無缺口效應的結構非均勻應力分布情況，又稱幾何應力法或熱點應力法（Hot spot strees）。熱點應力指最大結構應力或結構中控制截面的危險點應力，寫作σG。
（3）缺口應力評定法作分析時除名義應力和結構應力外，還應確定焊趾和焊縫根部的應力集中。在焊接結構分析中迄今只用于某些特殊場合。
（5）焊接接頭疲勞設計方法
焊接接頭缺口等級的劃分取決于接頭形式、焊縫類型、加載情況和制造加工質量以及缺陷狀況，通常以疲勞試驗（而不是應力分析）的結果為基礎。
a．應力幅（應力脈動量）
b．細節分類
對不同的焊接頭給予特定的結構細節名稱，該類型既考慮了細節的局部應力集中，可接受的最大不連續性尺寸和形狀，受力方向，冶金效應，殘余應力，疲勞裂紋形狀；在某些情況下還考慮了焊接工藝和焊后的改善處理。對于任一給定的細節類型，不同強度等級的鋼材疲勞強度間的差別很少，可略去不計。
c． S-N曲線
在給定應力幅的情況下，特定細節類型的焊接接頭疲勞強度S與循環次數N的關系可用S－N曲線來描述，S-N曲線需經疲勞試驗獲得。曲線上的每一特征點必須用8～12個試驗條件完全相同的試驗數據經統計，并有 97.7％的保證率。 S－N曲線上的應力可為名義應力（名義應力幅），也可為結構應力（熱點應力），S－N曲線法是疲勞設計是采用最多的方法。
對焊接接頭，常幅疲勞下的S-N曲線可寫作NS"＝C，一般取3～5，顯然不同細節類型的焊接接頭構成S-N曲線組，其S直接采用應力幅σ。
d變幅疲勞和疲勞積傷
為了估價變幅應力的作用，采用Miner線性積傷假設。通過這個假設把疲勞的隨機加載（變幅疲勞）和常幅的S．N曲線聯系起來。線型積累損傷法認為，當不同施加的循環比的總和為1時，接頭就會發生破壞，寫成
式中，ni為在σi下的循環次數，Ni為在σi作用下破壞的循環次數。
二、管結構節點的疲勞
現代管結構多采用主支管直接相貫焊接的節點構造型式。在節點中，荷載由支管直接傳給主管。由于支管的軸向剛度遠遠大于主管的徑向剛度，支全管的相貫線成為整個結構的薄弱環節。該處不僅會出現很高的應力集中（應力集中系數可高達20）而且又存在有焊接缺陷和焊接殘余拉應力，多種不利因素相疊加使管節點對交變荷載的抵抗能力較低，疲勞裂紋往往起源于高應力區的初始缺陷處，常常在"熱點"附近由表面裂紋擴展并穿透管壁，逐步擴展而使節點破壞，導致整體結構承載力的喪失。近年來，隨著管結構在海洋工程中海上平臺的大量使用，其節點靜力強度和疲勞壽命已經成為管結構設計中的一個重要課題。合理的節點構造及其設計方法引起了以美英為中心的歐美各國及日本的關注，共有40余個試驗室進行了管節點疲勞試驗的研究。我國也于1983年成立了海上平臺管節點研究委員會》（TJCOS）就管節點應力分析、承載能力、疲勞設計方法及疲勞試驗等方面開展了有效的工作。中國船級社于1992年正式頒布了"海上固定平臺八級與建造規范"對海上平臺管結構節點的靜力與疲勞設計有了明確的規定。這對于橋梁管結構的設計也有極好的參考價值。
1管節點的應力
管節點的應力分布是影響疲勞壽命的重要因素，它是進行疲勞設計的基礎。
(1）名義應力與沖剪應力
管節點的應力分析以總體結構分析為基礎，按通常結構力學方法確定桿件內力，因此而求得的杯件截面應力稱為名義應力記作σn。多數情況下，名義應力中軸向應力最大，彎曲應力次之，扭轉應力極小。一般節點中，2/3以上的應力是支管軸力所引起，因而可以認為支管僅受軸向力。支管向主管力的傳遞可假定由均勻分布的弦管剪力所承擔，稱為沖剪應力Vp：
式中，θ為支管與主管的夾角，Fa和Fb分別表示名義軸向應力和名義彎曲應力。沖剪應力作用示意見圖1。
(2)．幾何應力與局部應力
弦管是支持支管的彈性基礎，在相貫線上，沿支管軸向剛度愈大，反作用力愈大。每一點上的反作用力可分解成弦管環向力和徑向力，前者主要引起中面應力，后者則造成弦管彎曲應力，弦管在交接線表面上的應力是由這兩種應力疊加而成，稱為幾何應力。管節點最大幾何應力通常在弦支管交線處于弦管一邊，發生的最大幾何應力即為熱點應力用σG表示。如果采用相應的幾何應力集中系數KG，則熱點應力σG=KGσN，再考慮焊趾幾何型狀的影響，引入局部應力集中系數KW，其局部應力σL=KwσG，局部應力σL還可以名義應力σN表示，記為σL＝KGKW。熱點應力示意見圖2
（3）省節點疲勞設計的應力選擇
由于管節點的應力組成和分布十分復雜，采用S－N曲線進行疲勞設計時，首先，涉及其設計應力S的選擇，對此，根據疲勞試驗的情況，世界各國比較一致地認為選用熱點應力σG和相應的應力集中系數KG比較合理。
（4）省節點的應力分析
管節點應力分析可采用有限元法，試驗分析法和幾何應力參數法（無量細分析法）。有限元分析時，利用荷殼單元可直接求得結構應力口C。采用試驗分析時需利用節點模型試驗實測幾何應力。由于管節點的種類繁多，不可能對每一節點在多種荷載作用下均采用前兩種方法，因而可采用在有一定參數某礎L的無量綱l析法來確定幾何應力集中系數比的表連式內的各項參數，用以推求幾何應力σG＝KGσN。
（5）管節點的疲勞裂紋
由于管節點的幾何形狀及應力狀態均很復雜，管節點的疲勞裂紋一般出現在具有高應力集中的主管熱點處的焊趾附近。首先出現～系列間距很接近的微裂紋，當其增長到幾毫米后，這些裂紋連接在一起形成以熱點為中心的單一裂紋。一般表面裂紋擴展到60％周長時，節點剛度仍然無顯著變化，直到裂紋貫穿主管壁厚，承載力喪失。
三、省節點的疲勞設計方法
1幾種實用的S－－N曲線
S-N曲線是管節點疲勞分析的密準和疲勞累積損傷計算的基礎。對管結構目前國際上通常使用的有美國石油學會（API）美國焊接學會（AWS），國際焊接學會（IIW）歐洲鋼結構學會（ECh），挪威船級社（DNV）的S－N曲線。API推薦用熱點應力，同時要求接沖剪應力驗算弦管的疲勞強度。對熱點應力的確定可采用匕達三種方法中任一種。S－N曲線一般考慮了管節點的形式（TYK型）、焊接狀況（熔透型式，焊接形狀）、應力種類（名義應力σN。）。沖剪應力Vp，熱點應力σG（σG=KGσN）使用時必須根據這些因素來適當選取。S-N曲線也可用數學表公式來描述，如API的曲線族N＝2,000,000（σR／σref)-m。曲線X和D"，E'分別適用T，Y，K型管節點采用熱點應力和名義應力來進行疲勞設計；曲線K適用于K型、T型和Y型節點的沖剪應力疲勞設計。要求節點焊縫為全焊透，外型光滑過渡到母材。
不難看出，X與廣曲線差別在于分別采用熱點應力。和名義應力。來設計，V相當于N＝2000000時 SN曲線上的應力幅S，前者為 100MPa，后者為 40MPa，2．5倍之差即為應力集中系數KG。而E'因采用部分溶透焊縫，應力集中嚴重，其σN較之D'曲線更低，見表1。
我國海上固定平臺八級建造規份中S－N曲線也采用了數學表達式的型式。對比國外幾種不同規范的S－N曲線見圖3
（2）壁厚修正公式
S-N曲線一般是根據t＝15mm時的試驗結果統計而成，因結構疲勞強度有隨壁厚增加
而下降的趨勢，若結構壁厚超過規定的范圍則需要修正。
四、焊接接頭執疲勞設計一般原則
對焊接接頭而言，良好的構造細節和有效的焊接后處理措施將提高接頭疲勞壽命，是抵抗結構疲勞破壞重要手段。在設計中～般應遵循以下原則：
（l）構件間的連接盡量避免剛度突然變化。
（2）優先采用對接焊縫，盡可能不用角焊縫。承受反復應力的焊縫宜采用連續焊縫。
（3）盡可能不采用偏心連接，避免不必要的附加應力。
（4）潮焊縫（焊趾、焊根和焊縫端部敗于低應力區，使缺口效應盡量分析。
（5）一般不采用管節點加擇板的方式，以避免新的應力集中。
（6）對省節點經焊后處理可提高30％的名義應力，目前歐美的規范已經對焊后修磨焊修
外形作了具體規定。
（7）在特別危險部位以螺栓接頭、鍛造連接件或鑄造件替代焊接接頭。
（8）消除能引起腐蝕的根部間隙。
