童樂為，牛立超，任珍珍，ZHAO Xiao-ling

(1. 同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海 200092；2. 同濟大學(xué)浙江學(xué)院土木工程系，嘉興 314051；3. 新南威爾士大學(xué)土木與環(huán)境工程系，澳大利亞，悉尼 2052)

高強度結(jié)構(gòu)鋼材是指采用微合金化和熱機械軋制等技術(shù)生產(chǎn)出的強度高、延性韌性好和加工性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)鋼材。國內(nèi)外通常將屈服強度不低于460 MPa 級的鋼材稱為高強度鋼材，將屈服強度不低于690 MPa級的鋼材稱為超高強度鋼材，本文為敘述簡練將其統(tǒng)稱為“高強度鋼材”。屈服強度低于高強度鋼的鋼材，則稱為普通強度鋼材。目前，國際上一些發(fā)達國家已在工程結(jié)構(gòu)中嘗試應(yīng)用了高強度鋼材[1?2]，表明能夠顯著減少鋼材用量、焊接工作量和結(jié)構(gòu)重量，減輕動力和地震作用，方便施工吊裝，降低造價，取得了良好的經(jīng)濟和社會環(huán)保效益，顯示出推廣應(yīng)用的發(fā)展趨勢。

與普通強度鋼材相比，高強度鋼材在化學(xué)成分、金相組織和制造工藝等方面存在較大差別(例如多種有益合金元素的添加和熱軋熱控工藝TMCP的優(yōu)化等)，必然導(dǎo)致母材及其焊接在結(jié)構(gòu)性能上的不同或差異。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在高強度鋼材及其焊接的基本力學(xué)性能、沖擊韌性、焊接殘余應(yīng)力、構(gòu)件穩(wěn)定等方面進行了一些研究[3?14]，但已有成果在廣度和深度上都遠遠不及普通強度的鋼材，尤其在疲勞方面的研究極其有限。我國施剛等[15?16]進行了Q460高強鋼母材和對接焊縫的疲勞試驗，得到了S-N曲線，發(fā)現(xiàn)疲勞強度比相應(yīng)規(guī)范值高。Niu等[17]分別研究了Q460、Q690和Q960高強鋼母材和焊接接頭的疲勞性能。Guo等[18?19]對Q460和Q690高強鋼的母材、對接焊縫以及十字形角焊縫進行了疲勞試驗研究，提出了相應(yīng)的S-N曲線。童樂為等[20]對Q460C、Q550D、Q690D和Q960D四種國產(chǎn)高強鋼母材進行了疲勞裂紋擴展速率研究，提出了這四種鋼材Pairs公式中的疲勞裂紋擴展速率參數(shù)。

國外Costa等[21]研究了600 MPa級(本文若沒有特別說明，都是指名義屈服強度)高強鋼對焊接頭的疲勞性能。Cicero等[22]研究了氧氣、等離子和激光切割對構(gòu)件疲勞性能的影響，給出了三種高強鋼(S460、S690、S890)采用不同熱切割方式的S-N曲線和對應(yīng)的規(guī)范設(shè)計等級。Lahtinen等[23]探究了700 MPa級高強鋼焊接接頭的性能，發(fā)現(xiàn)不同焊接工藝和條件下的強度、硬度和疲勞壽命有所區(qū)別，但均比母材差。

目前，我國現(xiàn)行的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》(GB 50017?2017)[24]已將Q460高強鋼納入，土木工程行業(yè)中500 MPa～550 MPa級高強鋼的應(yīng)用也開始逐漸興起。當高強鋼應(yīng)用在反復(fù)作用的動力荷載場合時，例如廠房吊車梁、橋梁等，必須考慮抗疲勞設(shè)計的問題，特別是焊接構(gòu)造，由于存在難以避免的焊接缺陷和焊接殘余應(yīng)力，通常比母材的疲勞強度有顯著的降低。鋼板橫向?qū)雍缚p和非承載橫向角焊縫連接件，都是鋼結(jié)構(gòu)中十分常見的連接方式。鋼板或者構(gòu)件的對接或拼接都需要采用對接焊縫，且經(jīng)常碰到受力與焊縫垂直的橫向?qū)雍缚p。由于承受集中荷載、板件局部穩(wěn)定或構(gòu)造等因素，鋼梁腹板上經(jīng)常需要焊接雙側(cè)橫向加勁肋，這種焊有橫向加勁肋的腹板就屬于十字型非承載橫向焊接件的構(gòu)造。

鋼板之間平接對焊施工后會形成高出鋼板表面一定尺寸的余高，通常不做處理，順其自然，成為原狀焊縫。相比平整的鋼板，焊縫余高將產(chǎn)生因幾何形狀引起的應(yīng)力集中，對承受疲勞荷載條件的工業(yè)建筑、橋梁、機械、船舶、海洋等領(lǐng)域的鋼結(jié)構(gòu)，會降低疲勞壽命。因此，國內(nèi)外對一些特別重要的焊接鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，為了改善疲勞性能，會采取打磨掉焊縫余高的措施。同時，去除焊縫余高，還是一種提升焊接質(zhì)量的工藝措施，可消除焊接表面的缺陷，例如氣孔、夾雜、咬邊，還可降低焊接殘余應(yīng)力。國內(nèi)外的研究已表明余高去除的對焊鋼板疲勞強度高于有余高的原狀對焊鋼板的疲勞強度，這在歐規(guī)Eurocode 3?2005[25]焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞強度分類上已有體現(xiàn)。

本文針對以上工程背景，以Q550D高強度鋼板橫向焊縫對接件(去除焊縫余高)和十字型非承載橫向角焊縫連接件這兩種典型的焊接節(jié)點為對象(為敘述簡練起見，后續(xù)常分別簡稱為對焊件和角焊件)，分別進行母材和焊縫的基本力學(xué)性能試驗，然后進行兩種焊接節(jié)點簡化模型的高周疲勞試驗，采用最小二乘法回歸得到相應(yīng)的抗疲勞設(shè)計的S-N曲線，并與國內(nèi)外有關(guān)規(guī)范的疲勞數(shù)據(jù)以及他人的疲勞試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，綜合評價Q550D高強鋼這兩種焊接節(jié)點的疲勞性能，為抗疲勞設(shè)計提供依據(jù)。

1 基本力學(xué)性能與疲勞性能試驗

1.1 鋼材和焊縫的基本力學(xué)性能試驗

本文試驗所用的鋼材為20 mm厚的國產(chǎn)Q550D高強度結(jié)構(gòu)鋼板材，由寶武鋼鐵集團生產(chǎn)，采用TMCP(thermo mechanical control process)熱軋熱控制造工藝，鋼板焊接采用CHT91K2藥芯焊絲，它們化學(xué)成分見表1和表2所示。

表1 Q550D鋼材的化學(xué)成分 /(wt.%)Table1 Chemical composition of Q550D steel

因疲勞試件焊接加工的需要，首先由上海建工集團鋼結(jié)構(gòu)制造廠按照《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》(GB 50661?2011)[26]，獨立實施Q550D高強鋼焊接工藝評定，涉及對接焊縫的拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗、T形節(jié)點的宏觀酸蝕、硬度試驗等5項評定試驗，經(jīng)驗證焊接工藝能達到規(guī)范要求，有關(guān)焊接工藝參數(shù)可用于后續(xù)疲勞試驗的試件加工。

Q550D鋼材的對焊件和角焊件的焊接最終采用CO2保護氣體進行電弧焊(稱為FCAW電弧焊)，純度100%(生產(chǎn)規(guī)格為二氧化碳濃度＞99.5%)，氣體流量設(shè)置為20 L/min，施焊電流215 A～230 A、電壓28 V～29 V、速度290 mm/min。焊前施以反變形措施和預(yù)熱，焊后進行保溫，以便焊件均勻降溫避免不均勻變形。焊后經(jīng)100%超聲波檢驗，確認焊接質(zhì)量合格。

高強鋼Q550母材和對焊件在常溫下的基本力學(xué)性能按照《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》(GB/T 228.1?2010)[27]的規(guī)定進行標準單調(diào)拉伸試驗，各加工3個相同試件，最終材性指標取其平均值。沖擊韌性值依據(jù)規(guī)范《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》(GB/T 229?2007)[28]，分別制備母材和焊縫區(qū)的標準尺寸沖擊韌性試件，進行了?20 ℃沖擊韌性測試(國家標準 D級鋼須有?20 ℃的沖擊韌性指標)，共測試3個相同試件，取其平均值。它們的試驗結(jié)果詳見表3所示，各項指標均能滿足國標《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 1591?2008)[29]和《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》(GB 50661?2011)[26]的相關(guān)要求。規(guī)范對Q550D母材的延伸率和沖擊韌性的最低要求分別為16%和47 J，由表3可見，Q550D鋼材母材和對接焊縫的測試數(shù)據(jù)均高于規(guī)范的最低要求，說明具有良好的延伸率和低溫沖擊韌性。

表3 Q550D鋼材及其對接焊縫實測的力學(xué)性能Table3 Mechanical properties of Q550D steel and weld

1.2 鋼材和對接焊縫的疲勞試件

按照《Fatigue testing of welded components-Guidance》(ISO/TR 14345)[30]的有關(guān)規(guī)定，加工對焊件和角焊件的疲勞試驗標準試件，試件加工方法和尺寸詳見圖1所示。關(guān)于對焊件，先對兩塊大的鋼板邊緣開設(shè)60°的X形坡口，施焊前做好兩塊鋼板的厚度對中，然后施焊對接焊縫，接著磨平上下焊縫的余高，再對焊接后的鋼板進行必要的變形矯正，并進行焊接質(zhì)量無損檢驗，最后切割、機加工成標準試件。關(guān)于角焊件，加工情況類似，先在鋼板的兩側(cè)采用角焊縫焊接好肋板，焊接時控制好焊接變形，焊接后進行必要的變形矯正，然后進行焊接質(zhì)量無損檢驗，最后做切割、機加工，形成十字型非承載橫向角焊縫連接件的試件。

圖1 疲勞試件加工方法和尺寸 /mmFig. 1 Fabrication and size of fatigue test specimens

1.3 疲勞試驗加載方案

圖2為MTS 647疲勞試驗機，最大荷載能力200 kN，作動器最大位移±80 mm，加載頻率在15 Hz以內(nèi)。采用常幅加載，每個試件施加最小拉應(yīng)力σmin到最大拉應(yīng)力σmax的等幅正弦交變應(yīng)力，應(yīng)力比R=σmin/σmax=0.1，σmax不超過0.8倍的鋼材屈服強度fy。每個試件施加不同的交變應(yīng)力，也就是不同的應(yīng)力幅Δσ=σmax?σmin，以期獲得不同的疲勞壽命N，進而通過數(shù)理統(tǒng)計回歸分析，來獲得S-N曲線。

圖2 試件的疲勞加載Fig. 2 Fatigue loading on specimen

2 試驗結(jié)果與S-N曲線分析

2.1 疲勞試驗結(jié)果

按照以上疲勞試驗方案依次對各個試件加載，記錄各試件的應(yīng)力幅水平及其發(fā)生斷裂破壞時的循環(huán)次數(shù)。對焊件W試件和角焊件C的疲勞試驗結(jié)果分別列于表4和表5。對焊件試驗共18個，其中12個斷裂和6個因太長壽命未斷裂而結(jié)束試驗。角焊件試驗共22個，其中18個斷裂和4個也因太長壽命未斷裂而結(jié)束試驗。如圖3所示，對焊件的疲勞斷裂既有發(fā)生在焊縫區(qū)也有發(fā)生在焊縫熱影響區(qū)；角焊件的斷裂位置發(fā)生在焊址，裂紋起源于焊址中部或焊址邊緣。破壞的斷面都具有裂紋萌生、穩(wěn)定擴展、最后瞬時拉斷的典型疲勞破壞的特征。

圖3 焊接節(jié)點疲勞破壞位置Fig. 3 Fatigue failure location in welded joints

表4 Q550D對焊件疲勞試驗結(jié)果Table4 Fatigue test results of butt weldment for Q550D steel

表5 Q550D角焊件疲勞試驗結(jié)果Table5 Fatigue test results of fillet weldment for Q550D steel

2.2 S-N曲線擬合與分析

常幅疲勞的S-N曲線反映了結(jié)構(gòu)應(yīng)力Stress水平與其破壞時循環(huán)次數(shù)Number(即疲勞壽命)的定量關(guān)系，是結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計的重要依據(jù)和方法。至今為止，仍舊主要依據(jù)結(jié)構(gòu)疲勞試驗來得到。國內(nèi)外大量的研究表明：采用雙對數(shù)時S-N呈現(xiàn)線性關(guān)系，且鋼結(jié)構(gòu)，特別是焊接鋼結(jié)構(gòu)，S參數(shù)可采用應(yīng)力幅Δσ表示，即：

式中：N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；Δσ=σmax?σmin，σmax/MPa和σmin/MPa分別為應(yīng)力循環(huán)中的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力；m和C為與結(jié)構(gòu)材料、構(gòu)造細節(jié)有關(guān)的常數(shù)，且m為擬合S-N曲線斜率的負倒數(shù)。

根據(jù)式(1)的形式，采用最小二乘法，對表4和表5的試驗數(shù)據(jù)進行線性回歸，可分別得到對焊件和角焊件的S-N曲線的均值，也就是式(1)的表達式。結(jié)構(gòu)疲勞壽命具有離散性，通常認為lgN服從正態(tài)分布，在工程設(shè)計應(yīng)用上，一般再對式(1)減去2倍lgN的標準差(均值?2sd)，即采用式(2)的表達式，我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》(GB 50017?2017)[24]、歐規(guī)Eurocode 3?2005[25]和國際焊接協(xié)會IIW等都是如此做法。

式中，sd為關(guān)于lgN的標準差。

由此得到Q550D對焊件和角焊件的S-N曲線表達式如下，并在圖4中給出。

圖4 疲勞試驗獲得的S-N曲線Fig. 4 Experimental S-N curves

對焊件：

角焊件：

為便于比較，將Q550D對焊件和角焊件的S-N曲線同時繪制在圖5中。由圖4和圖5可見，1)對焊件和角焊件的S-N曲線的斜率負倒數(shù)m分別為5和4.1，有些差別；2)雖然對焊件是承載的橫向?qū)雍缚p，但是，疲勞強度明顯高于非承載的橫向角焊縫連接件，這是由于對焊縫余高做了磨平處理起到了兩方面的作用：一是基本上消除了幾何形狀的不規(guī)則、表面焊接缺陷等不利因素，導(dǎo)致焊接部位的應(yīng)力集中程度降低；二是余高的焊接是對下層焊縫金屬的熱處理，技術(shù)上可稱退火焊道，余高消除后，焊接部位的韌性增加，抗裂性提高。這些作用改善了焊接部位的疲勞性能；3)對焊件和角焊件的標準差sd分別為0.1515和0.1225，離散性并不大，在國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)疲勞試驗結(jié)果的通常范圍內(nèi)，美國大量普通強度的鋼結(jié)構(gòu)疲勞試驗數(shù)據(jù)的標準差sd處在0.0628～0.2910范圍[31?32]。相對來說，對焊件比角焊件的標準差sd略微大一點，這是由于角焊件的疲勞裂紋萌生位置固定，發(fā)生在角焊縫的焊址處，而對焊件的疲勞裂紋在焊縫和熱影響區(qū)都有萌生，一定程度上增加了離散性。

圖5 對焊件W和角焊件C的S-N曲線對比Fig. 5 Comparison of S-N curves between butt and fillet weldments

3 與規(guī)范、其他研究結(jié)果的對比分析

3.1 與國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的對比分析

目前，國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范還缺乏高強度鋼材及其焊接的疲勞強度S-N曲線，為此，本文將Q550D對焊件和角焊件疲勞試驗結(jié)果回歸得到的S-N曲線(均值?2sd)及其200萬次的疲勞強度(應(yīng)力幅)，與現(xiàn)行我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》(GB 50017?2017)[24]、歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準Eurocode 3?2005[25]、英國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準BS 7608?1993[33]、美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準AISC?360?05[34]中關(guān)于普通強度對焊件(余高磨平)和角焊件的疲勞強度進行對比分析，詳見表6和圖6、表7和圖7，有助于進一步認識Q550D高強度對焊件和角焊件的疲勞性能。

表6 本文Q550D對焊件與設(shè)計規(guī)范疲勞強度的比較Table6 Comparison of fatigue strength between Q550D butt weldment and design codes

表7 本文Q550D角焊件與設(shè)計規(guī)范疲勞強度的比較Table7 Comparison of fatigue strength between Q550D fillet weldment and design codes

圖6 本文Q550D對焊件與設(shè)計規(guī)范的S-N曲線(均值?2sd)比較Fig. 6 Comparison of S-N curves (mean-2sd) between Q550D butt weldment and design codes

圖7 本文Q550D角焊件與設(shè)計規(guī)范的S-N曲線(均值?2sd)比較Fig. 7 Comparison of S-N curves (mean-2sd) between Q550D fillet weldment and design codes

以往國內(nèi)外有關(guān)普通強度焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞的大量研究表明：由于受難以避免的焊接殘余應(yīng)力和焊接缺陷的影響，焊接鋼結(jié)構(gòu)的疲勞強度與應(yīng)力幅有關(guān)，與鋼材本身品種或者鋼材屈服強度沒有什么關(guān)系[35]，S-N曲線的負倒數(shù)斜率m值為3，或接近3而圓整到3，因此，國內(nèi)外普鋼的焊接鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范通常都采用m=3，且同一構(gòu)造的焊接節(jié)點不分鋼號都采用相同的疲勞強度S-N曲線。由表6和表7可見，本文Q550D高強鋼對焊件和角焊件疲勞試驗獲得的m分別為m=5和m=4.1，與普鋼對焊件和角焊件的m有一定的差別，且高強鋼的S-N曲線都在普鋼的S-N曲線之上，200萬次的疲勞強度比普鋼有顯著的提高，高強鋼的對焊件是普鋼的1.72倍～2.25倍；高強鋼的角焊件是普鋼的1.27倍～1.68倍。這些結(jié)果表明：Q550D高強度焊接節(jié)點的抗疲勞設(shè)計不應(yīng)套用現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，太偏于保守，否則，將人為地把高強鋼的優(yōu)勢給埋沒了。

Q550D高強鋼材焊接的疲勞性能比普通強度鋼材焊接的疲勞性能好，機理的初步分析可歸結(jié)于高強鋼優(yōu)質(zhì)的材料性能，當今鋼材冶煉技術(shù)的發(fā)展，已使得鋼材具有更好的金相組織和材質(zhì)，同時具有高強度和高性能雙重特性，本文Q550D鋼材和焊縫在?20 ℃下的沖擊韌性可分別達到227 J和148 J，遠比規(guī)范對普通強度鋼材沖擊韌性的要求要高，高的沖擊韌性有效地提升了焊接鋼結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下抵抗斷裂的能力。

3.2 與其他研究結(jié)果的對比分析

本文搜集到了與Q550D鋼材屈服強度接近的我國Q500qE(屈服強度500 MPa)[36]、瑞典DOMEX600(屈服強度600 MPa)[21]、歐標S500(屈服強度500 MPa)[37]高強鋼對焊件和角焊件的疲勞試驗數(shù)據(jù)。鑒于已有的研究表明：鋼結(jié)構(gòu)疲勞試驗的加載頻率對疲勞壽命具有重要的影響，中頻、高頻加載會低估疲勞壽命[38]，為此，本文收集的是常規(guī)的低頻加載的疲勞試驗數(shù)據(jù)。同時，考慮到數(shù)據(jù)的可比性，對收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計回歸后統(tǒng)一以均值的S-N曲線為基準，取其200萬次疲勞強度值進行比較，詳見表8所示。

表8 本文Q550D焊接節(jié)點與其他疲勞試驗數(shù)據(jù)對比Table8 Comparison between Q550D welded joints and other fatigue test data

從斜率負倒數(shù)m值看，Q500qE、Q550D與DOMEX600三種鋼板對焊件的m值比較接近，但是都不在3附近。從Q500qE、S500、Q550D與DOMEX600四種高度鋼材屈服強度看，無論是鋼板磨平對焊件或原狀(未磨平余高)對焊件，還是角焊件，都具有疲勞強度隨著鋼材屈服強度的增加而提高的趨勢。相比鋼板原狀對焊，鋼板磨平對焊具有更高的疲勞強度，源于焊縫余高磨平可同時改善因幾何形狀和焊接缺陷帶來的應(yīng)力集中程度。

4 結(jié)論

本文分別對Q550D高強度鋼板余高磨平的橫向?qū)雍缚p(對焊件)和十字型非承載橫向角焊縫連接件(角焊件)開展了基本力學(xué)性能和高周疲勞性能的試驗研究，獲得了以下主要結(jié)論：

(1) Q550D母材及其焊縫都具有良好的延伸率和低溫沖擊韌性。

(2)余高磨平的對焊件S-N曲線為lgN=?5lgΔσ+18.265，200萬次疲勞強度為247 MPa；角焊件S-N曲線為lgN=?4.1lgΔσ+14.824，200萬次疲勞強度為114 MPa。這些數(shù)據(jù)可供Q550高強鋼余高磨平的對焊件和角焊件抗疲勞設(shè)計參考。

(3) Q550D余高磨平的對焊件和角焊件S-N曲線的斜率負倒數(shù)m與普通強度鋼材焊接節(jié)點S-N曲線的斜率負倒數(shù)m在數(shù)值上有一定的差別，并且疲勞強度都分別顯著高于國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范關(guān)于普通強度鋼材相應(yīng)焊接節(jié)點的疲勞強度，200萬次疲勞強度分別提高了72%～125%和27%～68%，抗疲勞設(shè)計不宜套用現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，否則，高強鋼的優(yōu)良性能將被人為埋沒。

(4) 與他人余高未磨平的鋼板原狀對焊件疲勞試驗數(shù)據(jù)相比，余高磨平的對焊件具有高的疲勞強度，對焊件的余高磨平處理顯著地改善了由于焊接幾何現(xiàn)狀、焊接缺陷引起的應(yīng)力集中程度，從而提高焊接的疲勞性能。

(5)與其他高強鋼的疲勞試驗數(shù)據(jù)比較，反映出無論余高是否磨平的對焊件，還是角焊件，都具有疲勞強度隨高強鋼屈服強度增加而提高的趨勢。

(6)本文Q550D高強鋼對焊件和角焊件疲勞試驗采用的是小尺度板條試件，考慮到焊接殘余應(yīng)力的影響，未來需要開展工程尺度的、相應(yīng)構(gòu)造細節(jié)的高強鋼H形鋼梁試件的疲勞試驗，進一步研究比較板條類試件與鋼梁類試件在疲勞性能、疲勞強度上的聯(lián)系與差異性。