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1、第八章钢结构的脆性断裂和疲劳第1页，共15页，编辑于2022年，星期三应力腐蚀断裂：应力腐蚀断裂：在腐蚀性环境中承受静力或准静力荷载作在腐蚀性环境中承受静力或准静力荷载作用的结构，在远低于屈服极限的应力状态下发生的断裂破用的结构，在远低于屈服极限的应力状态下发生的断裂破坏称为应力腐蚀断裂。它是腐蚀和非过载断裂的综合结果。坏称为应力腐蚀断裂。它是腐蚀和非过载断裂的综合结果。一般认为，强度越高则对应力腐蚀断裂越敏感。一般认为，强度越高则对应力腐蚀断裂越敏感。疲劳断裂与腐蚀疲劳断裂：疲劳断裂与腐蚀疲劳断裂：在交变荷载作用下，裂纹的失在交变荷载作用下，裂纹的失稳扩展导致的断裂破坏称为疲劳断裂稳扩展导致
2、的断裂破坏称为疲劳断裂。疲劳断裂有。疲劳断裂有高周高周和和低周低周之分。循环周数在之分。循环周数在10105 5以上者称为高周疲劳，属于以上者称为高周疲劳，属于钢结构中常见的情况。低周疲劳断裂前的周数只有几百或几钢结构中常见的情况。低周疲劳断裂前的周数只有几百或几十次，每次都有较大的非弹性应变。典型的低周疲劳破坏产十次，每次都有较大的非弹性应变。典型的低周疲劳破坏产生于强烈地震作用下。环境介质导致或加速疲劳裂纹的萌生生于强烈地震作用下。环境介质导致或加速疲劳裂纹的萌生和扩展称为腐蚀疲劳。和扩展称为腐蚀疲劳。氢脆断裂：氢脆断裂：氢可以在冶炼和焊接过程中侵入金属造成氢可以在冶炼和焊接过程中侵入金属
3、造成材料韧性降低而可能导致的断裂。焊条在使用前需要材料韧性降低而可能导致的断裂。焊条在使用前需要烘干，就是为了防止氢脆断裂。烘干，就是为了防止氢脆断裂。第2页，共15页，编辑于2022年，星期三焊接结构经常发生非过载脆性破坏的原因：焊接结构经常发生非过载脆性破坏的原因：焊缝缺陷的存在，使裂纹萌生的概率增大。焊缝缺陷的存在，使裂纹萌生的概率增大。焊接结构中数值可观的残余应力，作为初应力场，与荷载焊接结构中数值可观的残余应力，作为初应力场，与荷载应力场的叠加可导致驱动开裂的不利应力组合。应力场的叠加可导致驱动开裂的不利应力组合。焊缝连接通常使得结构的刚度增大，结构的变形，包括塑性焊缝连接通常使得结
4、构的刚度增大，结构的变形，包括塑性变形的发展受到更大的限制。尤其是三条焊缝在空间相互垂变形的发展受到更大的限制。尤其是三条焊缝在空间相互垂直时。直时。焊缝连接使结构形成连续整体，没有止裂的构造措施，则可焊缝连接使结构形成连续整体，没有止裂的构造措施，则可能一裂到底。能一裂到底。对选材在防止脆性破坏中的重要性认识不足。对选材在防止脆性破坏中的重要性认识不足。结构的脆性破坏经常在气温较低的情况下发生。处在结构的脆性破坏经常在气温较低的情况下发生。处在低温的结构要选择高韧性的材质来避免脆性破坏发生。低温的结构要选择高韧性的材质来避免脆性破坏发生。但是，如果处理不当，即便选用了高韧性材质，结构也但是，
5、如果处理不当，即便选用了高韧性材质，结构也可能发生脆性破坏。可能发生脆性破坏。第3页，共15页，编辑于2022年，星期三二、脆性断裂的防止二、脆性断裂的防止 按照断裂力学的理论，在弹性范围内，构件不致出按照断裂力学的理论，在弹性范围内，构件不致出现非现非 过载脆性断裂的条件是：过载脆性断裂的条件是：(8-1)(8-1)式中式中 裂纹尖端的应力强度因子；裂纹尖端的应力强度因子；a a裂纹尺度；裂纹尺度；裂纹尖端的应力；裂纹尖端的应力；表征断裂性能的材料常数，称断裂韧性。表征断裂性能的材料常数，称断裂韧性。为了防止脆性断裂，需要从三个方面着手：为了防止脆性断裂，需要从三个方面着手：正确选正确选用钢
6、材，使之具有足够的韧性。用钢材，使之具有足够的韧性。尽量减小初始裂纹的尽量减小初始裂纹的尺寸，避免在构造处理中形成类似于裂纹的间隙。尺寸，避免在构造处理中形成类似于裂纹的间隙。注注意在构造处理上缓和应力集中，以减小应力值。除此之意在构造处理上缓和应力集中，以减小应力值。除此之外，结构形式也对防止脆性断裂有一定影响。外，结构形式也对防止脆性断裂有一定影响。第4页，共15页，编辑于2022年，星期三1钢材选择钢材选择所选择的钢材应有足够的冲击韧性。所选择的钢材应有足够的冲击韧性。控制板件的厚度。控制板件的厚度。注意低温条件下钢材的选择。注意低温条件下钢材的选择。2初始裂纹初始裂纹 对于焊接结构来说
7、，减小初始裂纹尺寸主要是保证对于焊接结构来说，减小初始裂纹尺寸主要是保证焊缝质量，限制和避免焊接缺陷。焊缝表面不得有裂焊缝质量，限制和避免焊接缺陷。焊缝表面不得有裂纹。纹。焊缝的咬边实际上相当于表面裂纹。焊缝的咬边实际上相当于表面裂纹。由于工地施焊条件不如工厂，安装焊缝出现缺陷的由于工地施焊条件不如工厂，安装焊缝出现缺陷的机会比工厂焊缝多，机会比工厂焊缝多，GB50017GB50017规范规定，在工作温度规范规定，在工作温度等于或低于等于或低于-20-20的地区，安装的地区，安装宜采用螺栓连接。宜采用螺栓连接。第5页，共15页，编辑于2022年，星期三3应力应力 式式(8-1)(8-1)的应力
8、是构件中的真实应力的应力是构件中的真实应力.它不仅和荷载大它不仅和荷载大小有关，也和有无应力集中以及约束造成的残余应力的小有关，也和有无应力集中以及约束造成的残余应力的影响有关。因收缩受到约束而产生高额残余应力的情况影响有关。因收缩受到约束而产生高额残余应力的情况在抗脆断设计中必须避免。在抗脆断设计中必须避免。4 4结构形式与构造细节结构形式与构造细节1)1)、结构形式、结构形式超静定结构：超静定结构：由于赘余构件的断裂一般不会导致整体结由于赘余构件的断裂一般不会导致整体结构的失效，因此超静定结构对于减少断裂的不良后果一构的失效，因此超静定结构对于减少断裂的不良后果一般是有利的。当然，要同时考
9、虑由于地基不均匀沉陷、般是有利的。当然，要同时考虑由于地基不均匀沉陷、超静定结构可能会导致严重不利的内力重分布等问题。超静定结构可能会导致严重不利的内力重分布等问题。第6页，共15页，编辑于2022年，星期三静定结构：静定结构：静定结构（构件）采用多路径传递荷载比静定结构（构件）采用多路径传递荷载比单路径传递荷载在防止结构脆性断裂上效果更好。因单路径传递荷载在防止结构脆性断裂上效果更好。因为多路径结构使局部破坏不至于殃及整体结构的坍塌为多路径结构使局部破坏不至于殃及整体结构的坍塌.2)2)、细部构造细部构造构造间隙的设置：构造间隙的设置：当焊缝长度方向无垂直于间隙的拉当焊缝长度方向无垂直于间隙
10、的拉力时，设置构造间隙有利于阻止裂缝的发展。否则，力时，设置构造间隙有利于阻止裂缝的发展。否则，构造间隙的类裂纹作用十分有害。在它近旁的高度应构造间隙的类裂纹作用十分有害。在它近旁的高度应力集中，高额的焊接残余应力，以及因热塑变形而时力集中，高额的焊接残余应力，以及因热塑变形而时效硬化导致的基体金属的脆性提高，经常扮演诱发裂效硬化导致的基体金属的脆性提高，经常扮演诱发裂纹的角色。低温地区的结构必须避免这种留有间隙的纹的角色。低温地区的结构必须避免这种留有间隙的构造设计。在板的拼接中，不宜留狭长的拼接间隙，构造设计。在板的拼接中，不宜留狭长的拼接间隙，而要采用两面剖口的对接焊缝并予以焊透，或者采
11、用而要采用两面剖口的对接焊缝并予以焊透，或者采用图图8-4所示的构造方案。所示的构造方案。第7页，共15页，编辑于2022年，星期三如图如图8-8-3 3是一是一些设置些设置构造间构造间隙的典隙的典型例子型例子.低温地区的结构必须避免低温地区的结构必须避免这种留有间隙的构造设计这种留有间隙的构造设计.在板的拼接中，不宜留狭在板的拼接中，不宜留狭长的拼接间隙，而要采用长的拼接间隙，而要采用两面剖口的对接焊缝并予两面剖口的对接焊缝并予以焊透，或采用图以焊透，或采用图8-48-4所示所示的构造方案。的构造方案。第8页，共15页，编辑于2022年，星期三止裂元件的设置：止裂元件的设置：止裂元件亦是为了
12、将裂缝的扩展限制止裂元件亦是为了将裂缝的扩展限制于局部，以免一裂到底，祸及整体。用高韧性材料做成于局部，以免一裂到底，祸及整体。用高韧性材料做成的板内止裂元件和板外止裂元件，其构造如图的板内止裂元件和板外止裂元件，其构造如图8-58-5所示所示.图中止裂元件与主材的对接焊缝要求采用双面剖口型。图中止裂元件与主材的对接焊缝要求采用双面剖口型。角形连接构造：角形连接构造：端竖端竖板如果存在分层缺板如果存在分层缺陷，构造不当会引起陷，构造不当会引起层间撕裂。因此，宜层间撕裂。因此，宜采用图采用图8-6(a),(b)8-6(a),(b)的的角形连接构造，而避角形连接构造，而避免采用图免采用图8-6(c
13、)8-6(c)，(d)(d)的构造方式。的构造方式。第9页，共15页，编辑于2022年，星期三5其他措施其他措施尽量避免使材料出现应变硬化：尽量避免使材料出现应变硬化：在制造安装过程中，应在制造安装过程中，应尽量避免使材料出现应变硬化，要及时通过扩钻和刨边尽量避免使材料出现应变硬化，要及时通过扩钻和刨边消除因冲孔和裁剪而造成的局部硬化区；消除因冲孔和裁剪而造成的局部硬化区；减少不利残余应力：减少不利残余应力：注意正确选择和制订焊接工艺以减注意正确选择和制订焊接工艺以减少不利残余应力，包括必要时通过热处理方法消除重要少不利残余应力，包括必要时通过热处理方法消除重要构件中的残余应力；构件中的残余应
14、力；提倡规范文明施工：提倡规范文明施工：不在构件上随意起弧和砸击以避免不在构件上随意起弧和砸击以避免构件表面的意外损伤。构件表面的意外损伤。正确使用：正确使用：为防止脆断，在使用过程中严禁在结构上随为防止脆断，在使用过程中严禁在结构上随意加焊零部件以免导致机械损伤；除了严禁设备超载意加焊零部件以免导致机械损伤；除了严禁设备超载外，亦不得在结构上随意悬挂重物；严格控制设备的运外，亦不得在结构上随意悬挂重物；严格控制设备的运行速度以减少结构的冲击荷载。行速度以减少结构的冲击荷载。第10页，共15页，编辑于2022年，星期三 第二节钢结构的抗疲劳计算第二节钢结构的抗疲劳计算一、疲劳破坏定义及影响疲劳
15、寿命的因素一、疲劳破坏定义及影响疲劳寿命的因素定义：定义：钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成、扩展钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成、扩展以致断裂破坏的现象称为钢材的疲劳或疲劳破坏。以致断裂破坏的现象称为钢材的疲劳或疲劳破坏。影响疲劳寿命的因素：影响疲劳寿命的因素：影响构件疲劳破损的因素既有作影响构件疲劳破损的因素既有作为外因的疲劳荷载，又有作为内因的断裂韧性，还有描为外因的疲劳荷载，又有作为内因的断裂韧性，还有描写缺陷处应力状态的应力集中程度。现行钢结构设计写缺陷处应力状态的应力集中程度。现行钢结构设计规范规范(GB50017)(GB50017)依据疲劳性能由高到低的排列，把常依据疲劳性
16、能由高到低的排列，把常见的钢结构构件和连接分为见的钢结构构件和连接分为8 8个类别个类别(见表见表81)81)，分别，分别给出了各个类别用于计算容许应力幅的给出了各个类别用于计算容许应力幅的和和C C的值的值(见见表表8-2)8-2)。第11页，共15页，编辑于2022年，星期三二、应力幅准则二、应力幅准则 常幅疲劳常幅疲劳的容许应力幅计算公式为：的容许应力幅计算公式为：式中：式中：对焊接部位称为应力幅，其值为对焊接部位称为应力幅，其值为，对非焊接部位称为折算应力幅，其值为，对非焊接部位称为折算应力幅，其值为 容许应力幅（容许应力幅（N/mm N/mm2 2），按构件和连接的），按构件和连接的
17、类别及应力循环次数类别及应力循环次数n n由下式确定：由下式确定：式中参数式中参数C C和和根据构件和连接的类别按表根据构件和连接的类别按表8-18-1采用采用第12页，共15页，编辑于2022年，星期三说明：说明：1 1）承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变）承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化循环次数化循环次数n n等于或大于等于或大于5105104 4次时，应进行疲劳计算；次时，应进行疲劳计算；2 2）在应力循环中不出现拉应力的部位）在应力循环中不出现拉应力的部位,可不计算疲劳；可不计算疲劳；3 3）计算疲劳时，应采用荷载的标准值；）计算疲劳时，应采用荷载的
18、标准值；4)4)容许应力幅并不随钢材抗拉强度变化而变化。因此当疲劳计容许应力幅并不随钢材抗拉强度变化而变化。因此当疲劳计算控制设计时，高强钢材往往不能充分发挥作用。算控制设计时，高强钢材往往不能充分发挥作用。变幅疲劳的验算：变幅疲劳的验算：若能预测结构在使用寿命期间各若能预测结构在使用寿命期间各种荷载的应力幅以及次数分布所构成的设计应力谱，则种荷载的应力幅以及次数分布所构成的设计应力谱，则根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合为等效常幅疲劳，根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合为等效常幅疲劳，按下式计算：按下式计算：第13页，共15页，编辑于2022年，星期三式中式中:为变幅疲劳的等效应力幅，按下式计算
19、：为变幅疲劳的等效应力幅，按下式计算：为预期寿命内应力幅水平达到为预期寿命内应力幅水平达到 的应力循环次数的应力循环次数.对于没有设计应力谱的变幅疲劳钢结构可作为常幅疲对于没有设计应力谱的变幅疲劳钢结构可作为常幅疲劳计算，计算时循环次数劳计算，计算时循环次数 n 应根据构件使用中满负荷应根据构件使用中满负荷的程度予以折减。的程度予以折减。重级工作制吊车梁和重级、中级工重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架（桁架式吊车梁）的疲劳可按下式计算：作制吊车桁架（桁架式吊车梁）的疲劳可按下式计算：式中：式中：为所验算部位的应力幅或折算应力幅；为所验算部位的应力幅或折算应力幅；为欠载效应的等效系数为欠
20、载效应的等效系数;(规范表规范表6.2.3-1)6.2.3-1)为循环次数为循环次数 次的容许应力幅次的容许应力幅.(规范表规范表6.2.3-2)【例【例8-1】第14页，共15页，编辑于2022年，星期三三、改善结构疲劳性能的措施三、改善结构疲劳性能的措施 改善结构疲劳性能应当从影响疲劳寿命的主要因素改善结构疲劳性能应当从影响疲劳寿命的主要因素入手：入手：正确选材：正确选材：采用高韧性材料采用高韧性材料采用合理的构造细节：采用合理的构造细节：减小应力集中程度，从而使结构的尺寸由静力减小应力集中程度，从而使结构的尺寸由静力(强强度，稳定度，稳定)计算而不是由疲劳计算来控制；计算而不是由疲劳计算来控制；严格控制施工质量：严格控制施工质量：采用一些有效的工艺措施，减少初始裂纹的数量和采用一些有效的工艺措施，减少初始裂纹的数量和尺寸。尺寸。第15页，共15页，编辑于2022年，星期三