2.2 结构上母材的承载传力特征

工程结构中，可以将具有良好力学性能的金属材料取为结构的母材，其中结构钢、铝合金就是这样的母材，它们或被轧制，或被锻造，或被挤压，从而形成了形状特殊的专用型材、厚度各异的专用板材等，最后在工程结构中以单独或被连接的方式传递和承受载荷。

如果这些母材独立传力承载，材料力学、弹性力学，甚至塑性力学的理论就可以将它视为一个各向同性的连续体来研究它的承载能力。如果这些母材通过某种连接手段而形成一个承载传力的结构系统，例如焊接结构，那么母材的承载能力不仅取决于材料本身的力学性能，还取决于它的几何变形是否连续，以及构成一个结构系统以后它与其他构件之间的刚度是否协调等。

一个承受拉力的板，如果没有构成结构，它在截面上的应力分布是均匀的，但是它与另外一个板构成了如图2-1所示的结构以后，即使该结构极其简单，但是截面上的应力分布马上表现出非线性，且板两边出现了应力集中峰值，因此母材一旦成为结构中一个接头的母材，它的承载传力特征将会发生显著地变化，其变化程度取决于它与其他构件之间的刚度协调程度，认识到这一规律，对研究焊接结构的工程设计很有意义。

图2-1 刚度不协调导致母材应力非线性分布

图2-2a所示是一个海上采油平台，它是上述问题的另外一个典型实例。该平台中绝大多数的结构元素是耐海水腐蚀的钢管、轧制型材与板材，它们用焊接和螺纹连接的方式形成一个承载平台，如果进行受力分析，结构力学是可用的，在结构力学的计算模型中，某些部分被简化为一个三维刚架，某些部分被简化为一个三维桁架，然后评估它们的安全可靠性，其实，这样的计算模型与评估方法本质上是对母材而言的，表面上看，这种模型忽略的是结构连接部位的细节，其实它忽略的是细节上的应力集中，如果对这种细节上的忽略掉以轻心，设计将有风险。例如，结构中一个作为母材的钢管被加强肋板连接成为如图2-2b所示的一个接头以后，钢管的轴向刚度将不再连续，刚度变化使局部产生了应力集中，如果作用有疲劳载荷，该处的应力集中就将成为一个疲劳裂纹源。因此在讨论工程结构的承载能力时，除了关注母材本身还要关注它成为接头以后的应力集中。

图2-2 海上采油平台及其管接头细节