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搭接接頭是鋼結(jié)構(gòu)中焊接連接接頭通常采用的一種方式，其焊縫采用角焊縫形式，通常是受力薄弱環(huán)節(jié)。鋼結(jié)構(gòu)的疲勞、斷裂等破壞大多發(fā)生在焊縫的焊趾處，其原因除了焊接缺陷會(huì)誘發(fā)疲勞裂紋進(jìn)行擴(kuò)展以外，焊縫外形在焊趾處產(chǎn)生的應(yīng)力集中也是一個(gè)重要影響因素。應(yīng)力集中的嚴(yán)重程度可以用應(yīng)力集中系數(shù)Kt來(lái)表達(dá)，即焊趾處應(yīng)力峰值Sp與施加在無(wú)缺口截面上的名義應(yīng)力Snet之比。在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)盡量降低焊縫的坡度，以減小焊趾處的應(yīng)力集中。然而，上述措施還只是基于對(duì)焊縫應(yīng)力集中影響的定性認(rèn)識(shí)，仍需進(jìn)行深入研究。
用于估算應(yīng)力集中系數(shù)的方法有試驗(yàn)法、解析法和有限元分析法等。采用有限元方法對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行計(jì)算是容易實(shí)施且比較有效的方法，目前應(yīng)用較為廣泛，相關(guān)研究包含了不同類型接頭中幾何參數(shù)對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)的影響，如對(duì)接接頭、Y形接頭、K形接頭、T形接頭等。對(duì)于搭接接頭，文獻(xiàn)研究了雙側(cè)焊接的搭接接頭中應(yīng)力集中系數(shù)受搭接長(zhǎng)度、焊縫寬度等因素的影響；文獻(xiàn)以單側(cè)搭接接頭作為某種桁架節(jié)點(diǎn)的力學(xué)模型，研究了焊縫熔深、弦桿厚度等因素對(duì)焊縫幾何應(yīng)力集中系數(shù)和熱點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)的影響；文獻(xiàn)重點(diǎn)研究了焊縫焊腳、加強(qiáng)高等工藝參數(shù)對(duì)單側(cè)搭接接頭應(yīng)力集中系數(shù)的影響。本文以單側(cè)搭接接頭作為力學(xué)模型，研究了某種舟橋的單雙耳接頭尾部的應(yīng)力集中情況，依據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)對(duì)模型邊界條件進(jìn)行了處理，研究了蓋板厚度、主板厚度、焊縫接觸角以及焊趾過(guò)渡圓弧半徑等參數(shù)對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)的影響情況，為實(shí)際結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。
為驗(yàn)證采用有限元方法計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù)Kt的準(zhǔn)確性，選取一種較為理想的雙側(cè)焊接搭接接頭作為算例，主要幾何尺寸為：主板厚度T、蓋板厚度t、焊腳長(zhǎng)度l以及接觸角θ。
對(duì)稱的，可用1/4模型進(jìn)行研究。在建立有限元模型時(shí)，焊趾處單元尺寸及形狀對(duì)計(jì)算結(jié)果有著重要的影響。劃分的單元必須足夠小，以至于能反映出焊趾處的應(yīng)力集中特性，但又不能太小，否則會(huì)產(chǎn)生數(shù)值奇異性。采用Ansys軟件進(jìn)行分析，有限元模型采用了三角形平面應(yīng)變單元plane2，焊趾附近單元最小尺寸為0.15mm。
由不同幾何參數(shù)下試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果的對(duì)比表可以看出，有限元計(jì)算結(jié)果與光彈試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)吻合度較好，雖然個(gè)別情況下二者的相對(duì)誤差可達(dá)到6.1%，但考慮到試驗(yàn)過(guò)程的復(fù)雜性&可以認(rèn)為有限元模型是合理的，采用有限元法對(duì)Kt進(jìn)行計(jì)算是較為準(zhǔn)確的。
假設(shè)結(jié)構(gòu)處于平面應(yīng)變狀態(tài)，并且不考慮焊趾處咬邊、夾雜等焊接缺陷以及焊接殘余應(yīng)力的影響。蓋板厚度t和主板厚度T的初始幾何尺寸為15mm，焊腳長(zhǎng)度l為10mm，接觸角θ為45°。有限元模型采用三角形平面應(yīng)變單元plane2，焊趾端部最小尺寸為0.15mm，模型采用的鋼板及焊縫的彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3。
保持焊縫現(xiàn)有幾何尺寸不變，改變蓋板厚度t與主板厚度T的比值，研究應(yīng)力集中系數(shù)Kt的變化情況。由圖中可以看出，當(dāng)t/T<1.5時(shí), Kt隨著t/T的增加而迅速降低；而當(dāng)t/T>1.5以后, Kt降低趨勢(shì)放緩。此外,在保持t/T不變的情況下，Kt也會(huì)隨著主板厚度T的增加變大，這主要由于在焊縫尺寸不變的情況下，增加T會(huì)降低l/T的值,使得焊趾處的應(yīng)力集中更為明顯。
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