疲劳设计应注意哪些细部构造?在制造工艺上应采取哪些措施?

由疲劳破坏的机理可知，为提高结构构件的疲劳性能，设计时应选择应力集中程度低的构造方案。应力集中通常出现于结构表面的凸凹处和截面的突变处。

因此在板的拼接中，能采用对接焊缝时就应避免采用拼接板加角焊缝的连接方式。焊于构件的节点板宜有连续光滑的圆弧过渡段，且圆弧半径不小于60mm。

如采用高强度螺栓摩擦型连接，不但叮以免除圆弧过渡段加T的麻烦，而且可改善疲劳性能。但需要提醒的是必须针对引起应力集中的具体原因来采取对策。设计时应尽量避免多条焊缝相互交汇而导致高额残余应力。

(1)抗疲劳的构造设计无论是从抗脆断或抗疲劳的角度出发;都要求设计者选择应力集中程度低的构造方案。应力集中通常出现于结构表面的凹凸处和截面的突变(包括孔洞造成的截面突变)处。因此在板的拼接中，能采用对接焊缝时就避免采用拼接板加角焊缝的方式。煤于构件的节点板宜有连续光滑的圆弧过渡段，如图2-19a所示，圆弧半径不小于60mm。如果用梯形节点板加此圆弧过渡段，在《钢结构设计规范》附录E中列为5类，而没有圆弧过渡段的矩形节点板则为7类。前者的疲劳强度比后者高30%。如果节点板与构件的连接改为高强度螺栓，则既叮免除过渡段加工的麻烦，义可改善疲劳性能。摩擦型高强度螺栓的连接在《规范》附录E中列为2类，[σ]比7类高-倍多。但是要注意必须针对引起应力集中的实际原因来采取对策。如图2-19b所示的圆弧过渡并不能有效地减小应力集中程度，因为在纵剖面1-1的截面突变处没有设置光滑过渡段，如果按纵剖面图上虛线所示。将厚度改成渐变,效果会显著得多。应力不均匀亦可由不当的细部构造所致。图2-20所示的梁柱焊接连接，如果在构造上设置了虚线所示的横加劲肋，那么可认为梁翼缘应力是均匀的，来进行疲劳校核。反之，构造上未设置横加劲肋时，由于柱翼缘的变形，平截面假定不再成立，不能把梁翼缘应力看做是均匀的。这种应力不均匀的情形，设计规范一般都不考虑，应当用可靠的方法(如有限单元法)确定应力分布，以应力峰值确定应力幅来进行疲劳校核。显然，为避免繁重的计算，以设置横加劲肋为好。在梁端板通过螺栓与柱翼缘连接的情形，如果螺栓间距较大而端板抗弯刚度不足时，类似问题亦可出现，如没有构造措施纠正这种状况时，梁端截面的疲劳校核应当计及应力集中系数ξ =σmax/σp,如图2-21所示。

要尽量避免多条焊缝相互交汇而导致高残余拉应力的情形。尤其是三条在空间相互垂直的焊缝交于一点时，将造成二轴拉应力的不利状况。为此，在设计承受疲劳荷载的受弯构件时，常将橫向加劲肋与构件的受拉冀缘之间保持段距离。一般取如50~100 (见GB50017第8.5.6条)，如果是重级工作制吊车梁,则要求通过对加劲肋端部进行疲劳校核来确定这段距离。对于连接横向支撑处的横向加劲肋，可以把横向加劲肋和受拉翼缘顶紧不焊，且将加劲肋切角，保持腹板与加劲肋50-100mm不焊。

应力集中不可避免时，尽可能地将其设置于低应力区亦是抗疲劳构造设计的措施之一。采用多层翼缘的变截面焊接梁时,外层翼缘切断处的应力集中总是存在的。在图2-22中, A是理论切断点，按静力计算要求的切断点是B (长度I按现行CB 50017规范8.4.10条确定)。从疲劳校核的角度看，如果在B点处切断的应力幅不能满足，可以延伸长度4到C点处切断，如图2-22a所示，使得在C点处的应力幅满足疲劳校核的条件，此举显然要比增大梁截面可取。图2-22b中，是将焊缝延伸到按静力计算要求的B点后，改用摩擦型高强螺栓来传递层间剪力的方案。摩擦型高强螺栓抗剪连接具有较好的疲劳性能，可大大提高梁的抗疲劳能力。所需螺栓数量以传递翼板全部内力为原则来决定。在施工中，宜先安装高强螺栓，然后施焊纵向角焊缝。这种尽可能由强度计算而不是由疲劳校核来控制构件尺寸的思路应该渗透在结构设计中。

(2)改善结构疲劳性能的工艺措施除了冷热加工环节外，需验算疲劳的构件在运输、安装甚至于临时堆放的每-个施工环节都可能由于操作不当而造成构件疲劳性能的损伤。例如，构件在长途运输中如果没有止确的支垫和固定，则由于振动可以诱发裂纹;安装现场在构件的受拉区临时焊接小零件,亦会增加构件的裂纹萌发源。因此，在整个施工过程中对承受动荷载的构件做好严格的质量管理是很有意义的。另外，在承受动荷载的构件加工完毕后，可以采取一些工艺措施来改善疲劳性能。这些措施包括缓和应力集中程度、消除切口1以及在表层形成压缩残余应力。

焊缝表面的光滑处理经常能有效地缓和应力集中，表面光滑处理最普通的方法是打磨。打磨掉对接焊缝的余高。在焊缝内部没有显著缺陷时，可将疲劳强度出《规范》附录E中的3级提高到2级。打磨角焊缝焊趾，可以改善它的疲劳性能。但是必须如图2-23所示进行正确打磨，把板磨去厚约0.5mm一层。这是因为焊缝的趾部经常存在咬边形成的切口，并且还有焊渣侵人。正确打磨应将这些焊接缺陷除去，这样做虽然使钢板截面稍有削弱，影响并不大。对于纵向受力角焊缝，则可打磨它的端部，使截面变化比较缓和。打磨后的表面不应存在明显的刻痕。消除切口、焊渣等焊接缺陷,还可运用气体保护钨弧使角焊缝趾部重新熔化的方法。由F钨极弧焊不会在趾部产生焊渣侵人，只要使重新熔化的深度足够，原有切口、裂缝以及侵人的焊渣都可以消除，从而使疲劳性能得到改善。这种方法在不同应力幅情况下疲劳寿命都能同样提高。

残余压应力是抑止减缓裂纹扩展的有利因素。通过工艺措施，有意识地在焊缝和近旁金属的表层形成压缩残余应力，是改善疲劳性能的-个有效手段。常用方法是锤击敲打和喷射金属丸粒。其机理是:被处理的金属表层在冲击性的敲打作用下趋于侧向扩张，但被周围的材料所约束,从而产生残余压应力。同时，敲击造成的冷加工硬化也使疲劳强度得以提高,冲击性的敲打还使尖锐的切口得到缓减。梁的疲劳试验已经表明，这种工艺措施宜在构件安装就位后承受恒载工况下进行。否则，恒载产生的拉应力将抵消残余压应力，削弱敲打效果。