［摘要］本文分析了管结构节点疲劳产生的原因，提出了管节点疲劳设计的方法和抗疲劳设计的一般原则
关键词 管节点 疲劳设计
一、焊接结构的疲劳问题
1.疲劳现象
疲劳定义为由重复应力引起裂纹缓慢扩展而造成结构部件的损伤。疲劳断裂通常是一种低名义应力破坏，它和脆性断裂有许多相同或相近的特点，例如断裂前性变形很小，断口平齐。但其本质与一般脆断不同。对焊接结构而言，在反复荷载作用下，焊接接头的疲劳破坏占结构破坏很大部分。究其原因一般有以下两点：
（1）应力集中的影响
焊接接头的外型几何变化以及因焊接而带来的未溶合，未焊透、气孔、夹碴、裂纹等焊接缺陷所形成的几何不连续使焊缝区出现了明显的应力集中，尤以焊处处突出。
（2）焊接残余应力的影响
焊接热过程使焊接接头周围形成了自身平衡的纵向和横向残余应力，其值在焊缝附近通常会达到材料的屈服点。残余拉应力的存在极易引发疲劳裂纹，同时疲劳裂纹的扩展速率也可能因残余拉应力而增大。在焊接接头中，应力集中点经常和高值的残余拉应力点重合，使疲劳问题更加突出。
2.疲劳强度
疲劳破坏一般分为裂纹萌生、裂纹稳定扩展和最终失稳断裂二个阶段。焊接接头的疲劳强度主要由以下两点决定：
（1）裂纹萌生过程，它取决于焊缝的焊趾和焊根处的局部缺口应力状态；
（2）裂纹扩展过程，它取决于裂纹（包括缺口效应在内）的应力强度因子。
绝大多数焊接接头的疲劳裂纹产生在焊趾处，其疲劳寿命主要由裂纹生长扩展决定。显然接头的最大缺口应力和应力强度因子决定其疲劳强度。按断裂力学原理，缺口尖端的应力强度因子可写成
式中，y（c），y（a）为几何修正系数，。σ为垂直于裂纹的名义应力，2c为半椭圆形表面裂纹长度，α为裂纹深度，α/c=e"。事实上，发生在焊缝处的疲劳裂纹多数都会进入焊接热影响区或母材之中，从实用出发，只要最大缺口应力及应力强度因子与构件的基本名义应力成正比，便可认定它们取决于相邻母材的名义应力而不取决于静载作用下起决定性作用的焊缝名义应力。
3焊接接头疲劳强度分析方法
对焊接接头疲劳强度而言，由于局部最大应力实际上起着主导作用。因此焊接接头的疲劳强度分析方法可有4个不同的层次：即名义应力评定法、结构应力评定法、缺口应力评定法和断裂安全性评定法。这4种方法既可相互配合使用，又可各自单独使用。
（1）名义应力评定方法是用材料力学方法来确定构件断面上的名义应力是否小于疲断裂时的持久名义应力。该方法是用得十分广泛的基本方法。名义应力写作σN。
(2)结构应力评定方法要求除名义应力外还应采用解析或有限元法确定无缺口效应的结构非均匀应力分布情况，又称几何应力法或热点应力法（Hot spot strees）。热点应力指最大结构应力或结构中控制截面的危险点应力，写作σG。
（3）缺口应力评定法作分析时除名义应力和结构应力外，还应确定焊趾和焊缝根部的应力集中。在焊接结构分析中迄今只用于某些特殊场合。
（5）焊接接头疲劳设计方法
焊接接头缺口等级的划分取决于接头形式、焊缝类型、加载情况和制造加工质量以及缺陷状况，通常以疲劳试验（而不是应力分析）的结果为基础。
a．应力幅（应力脉动量）
b．细节分类
对不同的焊接头给予特定的结构细节名称，该类型既考虑了细节的局部应力集中，可接受的最大不连续性尺寸和形状，受力方向，冶金效应，残余应力，疲劳裂纹形状；在某些情况下还考虑了焊接工艺和焊后的改善处理。对于任一给定的细节类型，不同强度等级的钢材疲劳强度间的差别很少，可略去不计。
c． S-N曲线
在给定应力幅的情况下，特定细节类型的焊接接头疲劳强度S与循环次数N的关系可用S－N曲线来描述，S-N曲线需经疲劳试验获得。曲线上的每一特征点必须用8～12个试验条件完全相同的试验数据经统计，并有 97.7％的保证率。 S－N曲线上的应力可为名义应力（名义应力幅），也可为结构应力（热点应力），S－N曲线法是疲劳设计是采用最多的方法。
对焊接接头，常幅疲劳下的S-N曲线可写作NS"＝C，一般取3～5，显然不同细节类型的焊接接头构成S-N曲线组，其S直接采用应力幅σ。
d变幅疲劳和疲劳积伤
为了估价变幅应力的作用，采用Miner线性积伤假设。通过这个假设把疲劳的随机加载（变幅疲劳）和常幅的S．N曲线联系起来。线型积累损伤法认为，当不同施加的循环比的总和为1时，接头就会发生破坏，写成
式中，ni为在σi下的循环次数，Ni为在σi作用下破坏的循环次数。
二、管结构节点的疲劳
现代管结构多采用主支管直接相贯焊接的节点构造型式。在节点中，荷载由支管直接传给主管。由于支管的轴向刚度远远大于主管的径向刚度，支全管的相贯线成为整个结构的薄弱环节。该处不仅会出现很高的应力集中（应力集中系数可高达20）而且又存在有焊接缺陷和焊接残余拉应力，多种不利因素相叠加使管节点对交变荷载的抵抗能力较低，疲劳裂纹往往起源于高应力区的初始缺陷处，常常在"热点"附近由表面裂纹扩展并穿透管壁，逐步扩展而使节点破坏，导致整体结构承载力的丧失。近年来，随着管结构在海洋工程中海上平台的大量使用，其节点静力强度和疲劳寿命已经成为管结构设计中的一个重要课题。合理的节点构造及其设计方法引起了以美英为中心的欧美各国及日本的关注，共有40余个试验室进行了管节点疲劳试验的研究。我国也于1983年成立了海上平台管节点研究委员会》（TJCOS）就管节点应力分析、承载能力、疲劳设计方法及疲劳试验等方面开展了有效的工作。中国船级社于1992年正式颁布了"海上固定平台八级与建造规范"对海上平台管结构节点的静力与疲劳设计有了明确的规定。这对于桥梁管结构的设计也有极好的参考价值。
1管节点的应力
管节点的应力分布是影响疲劳寿命的重要因素，它是进行疲劳设计的基础。
(1）名义应力与冲剪应力
管节点的应力分析以总体结构分析为基础，按通常结构力学方法确定杆件内力，因此而求得的杯件截面应力称为名义应力记作σn。多数情况下，名义应力中轴向应力最大，弯曲应力次之，扭转应力极小。一般节点中，2/3以上的应力是支管轴力所引起，因而可以认为支管仅受轴向力。支管向主管力的传递可假定由均匀分布的弦管剪力所承担，称为冲剪应力Vp：
式中，θ为支管与主管的夹角，Fa和Fb分别表示名义轴向应力和名义弯曲应力。冲剪应力作用示意见图1。
(2)．几何应力与局部应力
弦管是支持支管的弹性基础，在相贯线上，沿支管轴向刚度愈大，反作用力愈大。每一点上的反作用力可分解成弦管环向力和径向力，前者主要引起中面应力，后者则造成弦管弯曲应力，弦管在交接线表面上的应力是由这两种应力叠加而成，称为几何应力。管节点最大几何应力通常在弦支管交线处于弦管一边，发生的最大几何应力即为热点应力用σG表示。如果采用相应的几何应力集中系数KG，则热点应力σG=KGσN，再考虑焊趾几何型状的影响，引入局部应力集中系数KW，其局部应力σL=KwσG，局部应力σL还可以名义应力σN表示，记为σL＝KGKW。热点应力示意见图2
（3）省节点疲劳设计的应力选择
由于管节点的应力组成和分布十分复杂，采用S－N曲线进行疲劳设计时，首先，涉及其设计应力S的选择，对此，根据疲劳试验的情况，世界各国比较一致地认为选用热点应力σG和相应的应力集中系数KG比较合理。
（4）省节点的应力分析
管节点应力分析可采用有限元法，试验分析法和几何应力参数法（无量细分析法）。有限元分析时，利用荷壳单元可直接求得结构应力口C。采用试验分析时需利用节点模型试验实测几何应力。由于管节点的种类繁多，不可能对每一节点在多种荷载作用下均采用前两种方法，因而可采用在有一定参数某础L的无量纲l析法来确定几何应力集中系数比的表连式内的各项参数，用以推求几何应力σG＝KGσN。
（5）管节点的疲劳裂纹
由于管节点的几何形状及应力状态均很复杂，管节点的疲劳裂纹一般出现在具有高应力集中的主管热点处的焊趾附近。首先出现～系列间距很接近的微裂纹，当其增长到几毫米后，这些裂纹连接在一起形成以热点为中心的单一裂纹。一般表面裂纹扩展到60％周长时，节点刚度仍然无显著变化，直到裂纹贯穿主管壁厚，承载力丧失。
三、省节点的疲劳设计方法
1几种实用的S－－N曲线
S-N曲线是管节点疲劳分析的密准和疲劳累积损伤计算的基础。对管结构目前国际上通常使用的有美国石油学会（API）美国焊接学会（AWS），国际焊接学会（IIW）欧洲钢结构学会（ECh），挪威船级社（DNV）的S－N曲线。API推荐用热点应力，同时要求接冲剪应力验算弦管的疲劳强度。对热点应力的确定可采用匕达三种方法中任一种。S－N曲线一般考虑了管节点的形式（TYK型）、焊接状况（熔透型式，焊接形状）、应力种类（名义应力σN。）。冲剪应力Vp，热点应力σG（σG=KGσN）使用时必须根据这些因素来适当选取。S-N曲线也可用数学表公式来描述，如API的曲线族N＝2,000,000（σR／σref)-m。曲线X和D"，E'分别适用T，Y，K型管节点采用热点应力和名义应力来进行疲劳设计；曲线K适用于K型、T型和Y型节点的冲剪应力疲劳设计。要求节点焊缝为全焊透，外型光滑过渡到母材。
不难看出，X与广曲线差别在于分别采用热点应力。和名义应力。来设计，V相当于N＝2000000时 SN曲线上的应力幅S，前者为 100MPa，后者为 40MPa，2．5倍之差即为应力集中系数KG。而E'因采用部分溶透焊缝，应力集中严重，其σN较之D'曲线更低，见表1。
我国海上固定平台八级建造规份中S－N曲线也采用了数学表达式的型式。对比国外几种不同规范的S－N曲线见图3
（2）壁厚修正公式
S-N曲线一般是根据t＝15mm时的试验结果统计而成，因结构疲劳强度有随壁厚增加
而下降的趋势，若结构壁厚超过规定的范围则需要修正。
四、焊接接头执疲劳设计一般原则
对焊接接头而言，良好的构造细节和有效的焊接后处理措施将提高接头疲劳寿命，是抵抗结构疲劳破坏重要手段。在设计中～般应遵循以下原则：
（l）构件间的连接尽量避免刚度突然变化。
（2）优先采用对接焊缝，尽可能不用角焊缝。承受反复应力的焊缝宜采用连续焊缝。
（3）尽可能不采用偏心连接，避免不必要的附加应力。
（4）潮焊缝（焊趾、焊根和焊缝端部败于低应力区，使缺口效应尽量分析。
（5）一般不采用管节点加择板的方式，以避免新的应力集中。
（6）对省节点经焊后处理可提高30％的名义应力，目前欧美的规范已经对焊后修磨焊修
外形作了具体规定。
（7）在特别危险部位以螺栓接头、锻造连接件或铸造件替代焊接接头。
（8）消除能引起腐蚀的根部间隙。
