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1、东北农业大学水利与土木工程学院钢结构课件 第三章 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望钢结构设计的目的钢结构设计的目的做到技术先进、经济合理、安全适做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。用、确保质量。这些要求都必须在钢结构不发生破坏的情况下才能做到。这些要求都必须在钢结构不发生破坏的情况下才能做到。第4章 钢结构的可能破坏形式对于钢结构而言，除塑性对于钢结构而言，除塑性破坏、脆性断裂破坏、疲破坏、脆性断裂破坏、疲劳破坏和损伤累积破坏外，劳破坏和损伤
2、累积破坏外，还有由体系本身所引起的还有由体系本身所引起的稳定破坏。因此，钢结构稳定破坏。因此，钢结构的可能破坏形式有如下几的可能破坏形式有如下几种：种：结构的整体失稳结构的整体失稳结构和构件的局部失稳结构和构件的局部失稳结构的塑性破坏结构的塑性破坏结构的脆性断裂结构的脆性断裂结构的疲劳破坏结构的疲劳破坏结构的损伤累积破坏等结构的损伤累积破坏等第一节 结构的整体失稳破坏 一、失稳的概念一、失稳的概念一、失稳的概念一、失稳的概念 结构整体失稳破坏结构整体失稳破坏指结构所承受的外荷载尚未达到按指结构所承受的外荷载尚未达到按强度计算得到的结构强度破坏荷载时，结构已不能承担并强度计算得到的结构强度破坏荷
3、载时，结构已不能承担并产生较大的变形，整个结构偏离原来的平衡位置而倒塌。产生较大的变形，整个结构偏离原来的平衡位置而倒塌。稳定的稳定的结构在荷载作用下处于平衡位置，微小结构在荷载作用下处于平衡位置，微小外界扰动使其偏离平衡位置，若外界扰动除去后仍外界扰动使其偏离平衡位置，若外界扰动除去后仍能回复到初始平衡位置。能回复到初始平衡位置。不稳定的不稳定的若外界扰动除去后不能恢复到初始平衡若外界扰动除去后不能恢复到初始平衡位置，且偏离初始平衡位置愈来愈远。位置，且偏离初始平衡位置愈来愈远。随遇平衡随遇平衡若外界扰动除去后不能回复到初始平衡若外界扰动除去后不能回复到初始平衡位置，但仍能停留在新的平衡位置
4、，则是临界状态。位置，但仍能停留在新的平衡位置，则是临界状态。稳定性的定义稳定性的定义由此可见，钢结构在失稳过程中，变形是迅速持续增长的，由此可见，钢结构在失稳过程中，变形是迅速持续增长的，结构将在很短时间内破坏甚至倒塌。结构将在很短时间内破坏甚至倒塌。图图41 俄罗斯克夫达敞开式桥失稳破坏的状况俄罗斯克夫达敞开式桥失稳破坏的状况二、失稳的类别二、失稳的类别二、失稳的类别二、失稳的类别 特点特点在达到临界状态前，结构保持初始平衡位置，在在达到临界状态前，结构保持初始平衡位置，在达到临界状态时，结构从初始的平衡位置过渡到无限临近达到临界状态时，结构从初始的平衡位置过渡到无限临近的新的平衡位置，此
5、后变形的进一步增大，要求荷载增加。的新的平衡位置，此后变形的进一步增大，要求荷载增加。结构在临界状态时出现这类现象称为结构在临界状态时出现这类现象称为结构的屈曲结构的屈曲。由于结构在该时发生了平衡形式的转移，平衡状态出现分由于结构在该时发生了平衡形式的转移，平衡状态出现分岔，因此也称岔，因此也称平衡分枝平衡分枝。（1）欧拉屈曲）欧拉屈曲这类稳定问题最早由欧拉提出并加以研究，也有称为第一这类稳定问题最早由欧拉提出并加以研究，也有称为第一类失稳或欧拉屈曲的，相应的荷载值称为类失稳或欧拉屈曲的，相应的荷载值称为屈曲荷载屈曲荷载、平衡、平衡分枝荷载或分枝荷载或欧拉临界荷载欧拉临界荷载。直杆轴心受压的屈
6、曲属于这种情况。直杆轴心受压的屈曲属于这种情况。图图42 欧拉屈曲及极值型失稳的荷载欧拉屈曲及极值型失稳的荷载侧移曲线侧移曲线 随着荷载的增加，结构变形也增加而且愈来愈快，直到结随着荷载的增加，结构变形也增加而且愈来愈快，直到结构不能承受增加的外荷载。此时，荷载达到极限值。构不能承受增加的外荷载。此时，荷载达到极限值。这类稳定问题也称为第二类稳定或压溃，相应的荷载值称为失这类稳定问题也称为第二类稳定或压溃，相应的荷载值称为失稳极限荷载，也有称为压溃荷载的。压弯构件受压失稳属于这稳极限荷载，也有称为压溃荷载的。压弯构件受压失稳属于这种情况，图种情况，图42中也画出了它的典型的荷载中也画出了它的典
7、型的荷载侧移曲线。侧移曲线。（2）极值型失稳）极值型失稳这类失稳没有平衡分岔现象。这类失稳没有平衡分岔现象。薄壁钢构件中受压翼缘板和腹板的失稳属于这种情况，板件薄壁钢构件中受压翼缘板和腹板的失稳属于这种情况，板件的极限承载力往往比其屈曲荷载大很多，有时可达许多倍，的极限承载力往往比其屈曲荷载大很多，有时可达许多倍，利用这种屈曲后强度具有十分重要的经济意义。利用这种屈曲后强度具有十分重要的经济意义。图图43分别给出四边支承平直板和微曲板受力至失稳时的分别给出四边支承平直板和微曲板受力至失稳时的典型的荷载典型的荷载侧移曲线。侧移曲线。这类失稳在开始时有平衡分岔现象，即发生屈曲，结构屈这类失稳在开始
8、时有平衡分岔现象，即发生屈曲，结构屈曲后并不立即破坏，还有比较显著的屈曲后强度，因此能曲后并不立即破坏，还有比较显著的屈曲后强度，因此能继续承受荷载的增加，直到出现极值型失稳。继续承受荷载的增加，直到出现极值型失稳。（3）屈曲后极值型失稳。）屈曲后极值型失稳。图图43 屈曲后极值型失稳的荷载侧移曲线屈曲后极值型失稳的荷载侧移曲线这类屈曲与屈曲后极值型失稳刚好相反，结构屈曲后其承这类屈曲与屈曲后极值型失稳刚好相反，结构屈曲后其承载力迅速下降，因此结构如有初始缺陷在受载过程中就会载力迅速下降，因此结构如有初始缺陷在受载过程中就会不出现屈曲现象而直接进入承载力较低的极值型失稳。不出现屈曲现象而直接进
9、入承载力较低的极值型失稳。（4）有限干扰型屈曲）有限干扰型屈曲图图44 有限干扰型屈曲的荷载纵向变位曲线有限干扰型屈曲的荷载纵向变位曲线这类失稳也称不稳定这类失稳也称不稳定分岔屈曲，具有这类分岔屈曲，具有这类失稳类型的结构也称失稳类型的结构也称为缺陷敏感型结构。为缺陷敏感型结构。承受轴向荷载的圆柱承受轴向荷载的圆柱壳的失稳就属于这种壳的失稳就属于这种类型。类型。特点特点结构由初始的平衡位置突然跳跃到另一个平衡位置，结构由初始的平衡位置突然跳跃到另一个平衡位置，在跳跃过程中出现很大的位移，使结构的平在跳跃过程中出现很大的位移，使结构的平衡衡位形发生巨大位形发生巨大的变化。的变化。承受横向均布压力
10、的球面扁壳的失稳属于这种类型。承受横向均布压力的球面扁壳的失稳属于这种类型。扁壳失稳后跳跃到图中的虚线位置，并能继续承受大于失稳扁壳失稳后跳跃到图中的虚线位置，并能继续承受大于失稳时的荷载值，这点在实际工程中并无意义。时的荷载值，这点在实际工程中并无意义。（5）跳跃型失稳）跳跃型失稳图图45 跳跃型失稳跳跃型失稳的荷载挠度曲线的荷载挠度曲线三、结构稳定分析的原则三、结构稳定分析的原则三、结构稳定分析的原则三、结构稳定分析的原则 结构稳定分析与经典的结构强度分析的主要区别在于以下几点：结构稳定分析与经典的结构强度分析的主要区别在于以下几点：（1）必须考虑几何非线性影响。）必须考虑几何非线性影响。
11、几何非线性可以包含众多非线性因素，需要根据研究对象的几何非线性可以包含众多非线性因素，需要根据研究对象的性质加以确定。在分析钢结构和钢构件的稳定性时，考虑的性质加以确定。在分析钢结构和钢构件的稳定性时，考虑的几何非线性有以下三种：几何非线性有以下三种：第一种第一种为位移和转角都在小变形的范围，但考虑结构变形对为位移和转角都在小变形的范围，但考虑结构变形对外力效应的影响。外力效应的影响。考虑这种几何非线性的分析方法也称为二阶分析。钢构件、考虑这种几何非线性的分析方法也称为二阶分析。钢构件、钢框架和钢拱的整体稳定分析都采用这一方法。钢框架和钢拱的整体稳定分析都采用这一方法。第二种第二种为考虑大位移
12、但转角仍在小变形范围。为考虑大位移但转角仍在小变形范围。钢框架既考虑构件又考虑结构整体失稳的稳定分析时可采用钢框架既考虑构件又考虑结构整体失稳的稳定分析时可采用这一方法。这一方法。第三种第三种为考虑大位移和大转角的非线性分析。为考虑大位移和大转角的非线性分析。网壳结构的稳定、板件考虑屈曲后强度的稳定以及构件考虑网壳结构的稳定、板件考虑屈曲后强度的稳定以及构件考虑整体与局部相关稳定时的分析应采用这一方法。整体与局部相关稳定时的分析应采用这一方法。（2）必须考虑材料非线性影响）必须考虑材料非线性影响钢结构或钢构件失稳破坏时，一般都会进入弹塑性阶段，因钢结构或钢构件失稳破坏时，一般都会进入弹塑性阶段
13、，因此要了解钢结构或钢构件的真实失稳极限荷载，必须考虑材此要了解钢结构或钢构件的真实失稳极限荷载，必须考虑材料非线性的影响。料非线性的影响。这样，稳定分析就需要采用双非线性即考虑材料非线性和几何这样，稳定分析就需要采用双非线性即考虑材料非线性和几何非线性的分析方法，使稳定分析增加了很大的难度。非线性的分析方法，使稳定分析增加了很大的难度。（3）必须考虑结构和构件的初始缺陷。）必须考虑结构和构件的初始缺陷。研究指出结构和构件的初始缺陷对稳定荷载的影响是显著而研究指出结构和构件的初始缺陷对稳定荷载的影响是显著而不可忽视的。这些初始缺陷主要包括：构件的初弯曲、荷载不可忽视的。这些初始缺陷主要包括：构
14、件的初弯曲、荷载的初偏心、结构形体的偏差以及残余应力等。因此钢结构和的初偏心、结构形体的偏差以及残余应力等。因此钢结构和钢构件的稳定分析具有不同于一般稳定分析的明显特点。钢构件的稳定分析具有不同于一般稳定分析的明显特点。钢构件的整体稳定因截面形式的不同及受力状态的不同可以钢构件的整体稳定因截面形式的不同及受力状态的不同可以有各种形式。有各种形式。对于轴心受压构件对于轴心受压构件有弯曲失稳、扭转失稳和弯扭失稳；有弯曲失稳、扭转失稳和弯扭失稳；对于受弯构件对于受弯构件弯扭失稳；弯扭失稳；对于单轴压弯构件对于单轴压弯构件在弯矩作用平面内为弯曲失稳，在弯矩作用平面内为弯曲失稳，在弯矩作用平面外为弯扭失
15、稳；在弯矩作用平面外为弯扭失稳；对于双轴压弯构件对于双轴压弯构件弯扭失稳。弯扭失稳。对于框架和拱对于框架和拱在框架和拱平面内为弯曲失稳，在框架和拱平面内为弯曲失稳，在框架和拱平面外为弯扭失稳。在框架和拱平面外为弯扭失稳。图图46是压杆弯曲失稳的情况。图是压杆弯曲失稳的情况。图47是弯扭失稳的情况。是弯扭失稳的情况。四、钢构件的整体稳定四、钢构件的整体稳定四、钢构件的整体稳定四、钢构件的整体稳定 图图46 压杆弯曲失稳压杆弯曲失稳图图47 压杆弯扭失稳压杆弯扭失稳第二节 结构和构件的局部失稳、截面的分类一、局部失稳的基本概念一、局部失稳的基本概念一、局部失稳的基本概念一、局部失稳的基本概念 结构
16、和构件局部失稳结构和构件局部失稳指结构和构件在保持整体稳定的条件指结构和构件在保持整体稳定的条件下，结构中的局部构件或构件中的板件己不能承受外荷载的作下，结构中的局部构件或构件中的板件己不能承受外荷载的作用而失去稳定。用而失去稳定。这些局部构件在结构中可以是受压的柱和受弯的梁；在构件中这些局部构件在结构中可以是受压的柱和受弯的梁；在构件中可以是受压的翼缘板和受压的腹板。可以是受压的翼缘板和受压的腹板。由于受压柱和受弯梁的失稳是欧拉屈曲和极值型失稳，从图由于受压柱和受弯梁的失稳是欧拉屈曲和极值型失稳，从图42所示的典型荷载所示的典型荷载侧移曲线中可以看出，到达临界荷载侧移曲线中可以看出，到达临界
17、荷载或失稳极限荷载后，构件仍有一定的承载能力，其值随位移或失稳极限荷载后，构件仍有一定的承载能力，其值随位移的增加而减小。的增加而减小。如从构件的刚度分析，可以看出失稳后构件的刚度在不断退化。如从构件的刚度分析，可以看出失稳后构件的刚度在不断退化。如果整个结构是一个超静定体系，而且局部构件的失稳并不使如果整个结构是一个超静定体系，而且局部构件的失稳并不使整体结构或结构的局部形成机构时，整个结构不会因局部构件整体结构或结构的局部形成机构时，整个结构不会因局部构件的失稳而失去承载能力。此时，可称结构失去了局部稳定。的失稳而失去承载能力。此时，可称结构失去了局部稳定。构件中受压板件的失稳是屈曲后极值
18、型失稳。构件中受压板件的失稳是屈曲后极值型失稳。从图从图43可以看出，当板件承受的荷载达到屈曲荷载时，板件可以看出，当板件承受的荷载达到屈曲荷载时，板件发生屈曲，但未丧失承载能力，屈曲后仍有巨大的承载能力。发生屈曲，但未丧失承载能力，屈曲后仍有巨大的承载能力。因此构件整体也不会因其受压板件的局部屈曲而失去承载能力，因此构件整体也不会因其受压板件的局部屈曲而失去承载能力，构件可以继续承载，只是局部屈曲的板件会呈现出可以观察到构件可以继续承载，只是局部屈曲的板件会呈现出可以观察到的局部变形。此时称为构件失去了局部稳定，进入屈曲后强度的局部变形。此时称为构件失去了局部稳定，进入屈曲后强度阶段。阶段。
19、图图48 工型截面压杆翼缘失去局部稳定工型截面压杆翼缘失去局部稳定二、局部与整体相关稳定二、局部与整体相关稳定二、局部与整体相关稳定二、局部与整体相关稳定 对于局部失稳后仍有屈曲后强度的结构和构件，虽能继续承载，对于局部失稳后仍有屈曲后强度的结构和构件，虽能继续承载，但其最后的整体失稳极限荷载将受到局部失稳的影响而降低。但其最后的整体失稳极限荷载将受到局部失稳的影响而降低。这时出现的整体稳定称为局部与整体相关稳定。这时出现的整体稳定称为局部与整体相关稳定。对于在实际工程中是否利用局部稳定后的屈曲后强度还存在对于在实际工程中是否利用局部稳定后的屈曲后强度还存在不同观点：不同观点：第一种认为不宜利
20、用，因为构件或板件失稳后会出现明显第一种认为不宜利用，因为构件或板件失稳后会出现明显 的变形，不利于继续使用。的变形，不利于继续使用。第二种认为不宜在承受动力荷载的结构或构件中利用，如第二种认为不宜在承受动力荷载的结构或构件中利用，如桥梁、吊车梁等。桥梁、吊车梁等。因为在这类结构中动力荷载每作用一次，局部构件和受压板件因为在这类结构中动力荷载每作用一次，局部构件和受压板件就会局部失稳一次，每一次局部失稳就会出现一次明显的变形。就会局部失稳一次，每一次局部失稳就会出现一次明显的变形。由于这类结构动力荷载作用频繁，使局部失稳和变形也频繁出由于这类结构动力荷载作用频繁，使局部失稳和变形也频繁出现，形
21、成一种称为现，形成一种称为“呼吸现象呼吸现象”。呼吸现象会使局部失稳的构件或板件不断受到损伤，当损伤累呼吸现象会使局部失稳的构件或板件不断受到损伤，当损伤累积到一定程度后就导致断裂，出现所谓低周疲劳断裂或疲劳断积到一定程度后就导致断裂，出现所谓低周疲劳断裂或疲劳断裂。裂。第三种认为可以利用，但有动力荷载时，局部失稳的临界第三种认为可以利用，但有动力荷载时，局部失稳的临界荷载不能太小以防止呼吸现象的出现。荷载不能太小以防止呼吸现象的出现。三、截面的分类问题三、截面的分类问题三、截面的分类问题三、截面的分类问题 由于受压构件的板件存在局部失稳的可能性，而局部失稳的屈由于受压构件的板件存在局部失稳的
22、可能性，而局部失稳的屈曲荷载与板件的宽厚比有关，宽厚比越大，屈曲荷载则越小。曲荷载与板件的宽厚比有关，宽厚比越大，屈曲荷载则越小。因此，可将截面按宽厚比的大小分为四类。因此，可将截面按宽厚比的大小分为四类。表表41是常用的工形截面和矩形管截面的大致分类界限。是常用的工形截面和矩形管截面的大致分类界限。第第2类截面在构件受弯并形成塑性铰但不发生塑性转动时，板类截面在构件受弯并形成塑性铰但不发生塑性转动时，板件件不会不会发生局部失稳。因此这类截面称为发生局部失稳。因此这类截面称为弹塑性设计截面弹塑性设计截面，也称也称厚实截面厚实截面。第第3类截面在构件受弯并当边缘纤维达到屈服点时，板件不会类截面在
23、构件受弯并当边缘纤维达到屈服点时，板件不会发生局部失稳，因此这类截由称为发生局部失稳，因此这类截由称为弹性设计截面弹性设计截面，也称，也称非厚实非厚实截面截面。第第4类截面在构件受弯时会发生局部失稳，应按利用屈曲后强类截面在构件受弯时会发生局部失稳，应按利用屈曲后强度的设计方法进行计算。因此这类截面称为度的设计方法进行计算。因此这类截面称为超屈曲设计截面超屈曲设计截面，也称也称纤细截面或薄柔截面纤细截面或薄柔截面。第第1类截面中板件的宽厚比最小，符合这一条件的板件，即使在类截面中板件的宽厚比最小，符合这一条件的板件，即使在构件受弯形成塑性铰并发生塑性转动时，板件仍构件受弯形成塑性铰并发生塑性转
24、动时，板件仍不会不会发生局部失发生局部失稳。塑性设计时应采用这类截面，因此也称稳。塑性设计时应采用这类截面，因此也称塑性设计截面塑性设计截面。第三节 结构的塑性破坏、应(内)力塑性重分布一、结构的塑性破坏一、结构的塑性破坏一、结构的塑性破坏一、结构的塑性破坏 结构在不发生整体失稳和局部失稳的条件下，内力将随荷载结构在不发生整体失稳和局部失稳的条件下，内力将随荷载的增加而增加，当结构构件截面上的内力达到截面的承载力并的增加而增加，当结构构件截面上的内力达到截面的承载力并使结构形成机构时，结构就丧失承载力而破坏。这类破坏称为使结构形成机构时，结构就丧失承载力而破坏。这类破坏称为结构的结构的强度破坏
25、强度破坏。在杆件系统结构中，结构的强度破坏都由受拉构件或受弯构件在杆件系统结构中，结构的强度破坏都由受拉构件或受弯构件的强度破坏所引起。的强度破坏所引起。受压构件一般都发生失稳破坏。受压构件一般都发生失稳破坏。受拉构件的破坏一般经历以下几个阶段：受拉构件的破坏一般经历以下几个阶段：首先截面中的拉应力达到材料的屈服点；首先截面中的拉应力达到材料的屈服点；其次受拉构件进入塑性变形，出现明显的伸长；随后材料其次受拉构件进入塑性变形，出现明显的伸长；随后材料进入强化阶段，构件截面上的拉应力继续增加；进入强化阶段，构件截面上的拉应力继续增加；最后当拉应力达到材料的抗拉强度后，受拉构件被拉断。最后当拉应力
26、达到材料的抗拉强度后，受拉构件被拉断。由于受拉构件在拉断之前会出现明显的伸长，因此很容易觉由于受拉构件在拉断之前会出现明显的伸长，因此很容易觉察并采取措施加以避免。察并采取措施加以避免。受拉构件的破坏常发生在地震灾害或不恰当的使用过程中，受拉构件的破坏常发生在地震灾害或不恰当的使用过程中，如在受力的受拉构件上施加电焊。如在受力的受拉构件上施加电焊。受弯构件的破坏一般经历以下几个阶段：受弯构件的破坏一般经历以下几个阶段：首先截面中的边缘纤维应力达到材料的屈服点；首先截面中的边缘纤维应力达到材料的屈服点；其次截面进入弹塑性受力阶段，逐步形成塑性铰，随其次截面进入弹塑性受力阶段，逐步形成塑性铰，随后
27、，塑性铰发生塑性转动，结构内力重分布，使其他构后，塑性铰发生塑性转动，结构内力重分布，使其他构件和截面相继出现塑性铰；件和截面相继出现塑性铰；最后当塑性铰出现使结构或其局部形成机构后，结构失去承最后当塑性铰出现使结构或其局部形成机构后，结构失去承载能力而倒塌破坏。这个过程同样也会出现很明显的变形，容载能力而倒塌破坏。这个过程同样也会出现很明显的变形，容易被觉察和采取措施防止破坏。易被觉察和采取措施防止破坏。综上所述可以看出结构强度破坏时会出现明显变形，因此也综上所述可以看出结构强度破坏时会出现明显变形，因此也称称塑性破坏塑性破坏或或称延性破坏称延性破坏。事实上结构发生纯粹的强度破坏是很少的。因
28、为在强度破坏事实上结构发生纯粹的强度破坏是很少的。因为在强度破坏过程中出现的明显变形会改变结构的整体受力，使结构某些过程中出现的明显变形会改变结构的整体受力，使结构某些部位的受力偏离并超出预先计算的数值而引发其他类型的破部位的受力偏离并超出预先计算的数值而引发其他类型的破坏，如失稳破坏等。坏，如失稳破坏等。二、应力塑性重分布二、应力塑性重分布二、应力塑性重分布二、应力塑性重分布 钢结构构件在轧制、冷加工和焊接制作等过程中都会在钢构钢结构构件在轧制、冷加工和焊接制作等过程中都会在钢构件的截面上产生应力，称为残余应力。这些应力一般都对截件的截面上产生应力，称为残余应力。这些应力一般都对截面自相平衡
29、，不形成内力。有时，这些应力的数值可以很大，面自相平衡，不形成内力。有时，这些应力的数值可以很大，甚至达到材料的屈服点。甚至达到材料的屈服点。图图49所示为一焊接工形截面和焊接箱形截面中焊接残余应所示为一焊接工形截面和焊接箱形截面中焊接残余应力的实测结果。力的实测结果。焊缝处的拉应力都已达到屈服点。焊缝处的拉应力都已达到屈服点。图图49 焊接残余应力焊接残余应力钢构件不可避免地会有连接节点，有时要开孔或改变截面。钢构件不可避免地会有连接节点，有时要开孔或改变截面。在这些部位都会出现应力集中现象，应力集中处的最大应力在这些部位都会出现应力集中现象，应力集中处的最大应力往往比不考虑应力集中时算得的
30、高很多，甚至达到几倍。往往比不考虑应力集中时算得的高很多，甚至达到几倍。图图410所示为一螺栓连接受拉所示为一螺栓连接受拉钢板上的应力集中实测结果，应钢板上的应力集中实测结果，应力集中处的最大应力为力集中处的最大应力为92.5Nmm 2，比净截面处的平均应力，比净截面处的平均应力32.7Nmm 2高出高出2.83倍。倍。图图410 螺栓连接受拉钢板螺栓连接受拉钢板在静态荷载和塑性破坏的情况下，在静态荷载和塑性破坏的情况下，这些残余应力的存在或应力集中现这些残余应力的存在或应力集中现象的出现并不影响构件的强度。象的出现并不影响构件的强度。因为当应力达到屈服点时，由于流幅的存在，不均匀的应力因为当
31、应力达到屈服点时，由于流幅的存在，不均匀的应力会逐渐趋向平均，出现了应力塑性重分布。会逐渐趋向平均，出现了应力塑性重分布。因此，只要钢材有足够的塑性，对于受弯构件不论残余应力因此，只要钢材有足够的塑性，对于受弯构件不论残余应力的分布和数值如何，经过应力塑性重分布后，最终极限状态的分布和数值如何，经过应力塑性重分布后，最终极限状态的应力分布将如图的应力分布将如图411(a)所示，这时截面形成塑性铰。所示，这时截面形成塑性铰。塑性铰的特点能在弯矩不变的情况下向弯矩作用方向自由塑性铰的特点能在弯矩不变的情况下向弯矩作用方向自由转动。对于受拉构件，不论应力集中现象如何，也不论残余转动。对于受拉构件，不
32、论应力集中现象如何，也不论残余应力的分布和数值如何，最终极限状态的应力分布将如图应力的分布和数值如何，最终极限状态的应力分布将如图411(b)所示。所示。图图411 受弯构件和受拉构件的极限应力状态受弯构件和受拉构件的极限应力状态需要注意的是：需要注意的是：残余应力的存在对构件的失稳破坏、脆性断裂以及疲劳破坏残余应力的存在对构件的失稳破坏、脆性断裂以及疲劳破坏等都有明显的影响，等都有明显的影响，应力集中现象对构件的脆性断裂以及疲劳破坏等有极为不利应力集中现象对构件的脆性断裂以及疲劳破坏等有极为不利的影响。因此，必须给予足够的重视，应采取措施减少残余的影响。因此，必须给予足够的重视，应采取措施减
33、少残余应力和应力集中现象。应力和应力集中现象。三、内力塑性重分布三、内力塑性重分布三、内力塑性重分布三、内力塑性重分布 受弯构件的强度破坏常以截面形成塑性铰为破坏标志。由于它受弯构件的强度破坏常以截面形成塑性铰为破坏标志。由于它具有延性特征，因此在超静定结构中，一个截面形成塑性铰并具有延性特征，因此在超静定结构中，一个截面形成塑性铰并不标志结构丧失承载能力。可以利用其延性特征，使超静定结不标志结构丧失承载能力。可以利用其延性特征，使超静定结构在荷载作用下相继出现几个塑性铰直至形成机构作为结构承构在荷载作用下相继出现几个塑性铰直至形成机构作为结构承载能力的极限状态。因在设计时利用了塑性性能，因此
34、称为塑载能力的极限状态。因在设计时利用了塑性性能，因此称为塑性设计。性设计。以图以图412(a)所示跨中受一均布荷载的固端梁为例，在弹性阶所示跨中受一均布荷载的固端梁为例，在弹性阶段梁端弯距段梁端弯距MA=MB0.0833ql2，跨中弯矩，跨中弯矩MC0.0417ql2，如，如图图4-12(b)所示，因梁端弯矩所示，因梁端弯矩MA、MB大于跨中弯矩大于跨中弯矩Mc，梁端先，梁端先形成塑性铰。形成塑性铰。图图412 均布荷载固端梁的内力重分布均布荷载固端梁的内力重分布设塑性铰的塑性弯矩为设塑性铰的塑性弯矩为MP，则形成塑性铰时，则形成塑性铰时MA=MB，梁上均，梁上均布荷载布荷载q12MPl2，
35、此时梁并末丧失承载能力，仍可继续承，此时梁并末丧失承载能力，仍可继续承担外荷载。当均布荷载继续增加时，梁端维持弯矩担外荷载。当均布荷载继续增加时，梁端维持弯矩MP不变，不变，但能自由转动，在增加的荷载作用下，梁如一根简支梁工作但能自由转动，在增加的荷载作用下，梁如一根简支梁工作,继续承担增加部分的荷载。直到梁的跨中弯矩也增加到继续承担增加部分的荷载。直到梁的跨中弯矩也增加到MP并并形成塑性铰，如图形成塑性铰，如图412(c)所示。所示。此时，梁在两端和跨中都出现塑性铰，形成机构，不能继续承此时，梁在两端和跨中都出现塑性铰，形成机构，不能继续承担荷载，达到了承载力的极限状态，梁所能承受的极限均布
36、荷担荷载，达到了承载力的极限状态，梁所能承受的极限均布荷载可由图载可由图412(c)得到得到qu16 MPl2，与梁在两端刚形成塑性，与梁在两端刚形成塑性铰时的均布荷载相比，荷载值增加了铰时的均布荷载相比，荷载值增加了13。梁的弯矩图由图梁的弯矩图由图412(b)逐步转变为逐步转变为(c)，称为，称为内力塑性重分内力塑性重分布布。塑性设计就是利用内力塑性重分布达到节约用钢的目的。塑性设计就是利用内力塑性重分布达到节约用钢的目的。如果能保证结构只发生强度延性破坏，就可以用塑性设计对结如果能保证结构只发生强度延性破坏，就可以用塑性设计对结构进行设计，并能达到明显的经济效益。构进行设计，并能达到明显
37、的经济效益。第四节 结构的疲劳破坏 一、疲劳破坏现象 钢材在连续反复荷载作用下，应力虽然还钢材在连续反复荷载作用下，应力虽然还低于低于极限强度、甚至极限强度、甚至还低于屈服点，也会发生破坏，这种破坏称为还低于屈服点，也会发生破坏，这种破坏称为疲劳破坏疲劳破坏。钢材在疲劳破坏之前，并没有明显变形，是一种突然发生的断钢材在疲劳破坏之前，并没有明显变形，是一种突然发生的断裂，断口平直。所以疲劳破坏属于反复荷载作用下的裂，断口平直。所以疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性破坏脆性破坏。钢材的疲劳破坏是经过长时间的发展过程才出现的，破坏过程钢材的疲劳破坏是经过长时间的发展过程才出现的，破坏过程可分为三个阶段
38、：即裂纹的形成，可分为三个阶段：即裂纹的形成，裂纹缓慢扩展与最后迅速断裂纹缓慢扩展与最后迅速断裂而破坏裂而破坏。由于钢结构总会有内在的微小缺陷，这些缺陷本身就起着裂纹由于钢结构总会有内在的微小缺陷，这些缺陷本身就起着裂纹作用，所以钢结构的疲劳破坏只有后两个阶段。作用，所以钢结构的疲劳破坏只有后两个阶段。由此可见，钢材的疲劳破坏首先是由于钢材内部结构不均匀由此可见，钢材的疲劳破坏首先是由于钢材内部结构不均匀（微小缺陷）和应力分布不均所引起的。（微小缺陷）和应力分布不均所引起的。应力集中应力集中可以使个可以使个别晶粒很快出现塑性变形及硬化等，从而别晶粒很快出现塑性变形及硬化等，从而大大降低大大降低
39、了钢材的了钢材的疲劳强度疲劳强度。荷载变化不大或不频繁反复作用的钢结构一般不会发生疲劳荷载变化不大或不频繁反复作用的钢结构一般不会发生疲劳破坏，计算中不必考虑疲劳的影响。但破坏，计算中不必考虑疲劳的影响。但长期承受连续反复荷长期承受连续反复荷载载的结构，设计时就要的结构，设计时就要考虑考虑钢材的钢材的疲劳问题疲劳问题。钢材的疲劳强度钢材的疲劳强度 反复荷载引起的应力种类反复荷载引起的应力种类(拉、压应力、拉、压应力、剪应力和复杂应力等剪应力和复杂应力等)应力循环形式、次数应力循环形式、次数应力集中程度应力集中程度残余应力等有着直接关系残余应力等有着直接关系先讨论常幅应力情况。先讨论常幅应力情况
40、。先讨论常幅应力情况先讨论常幅应力情况 11应力比和应力幅应力比和应力幅应力比和应力幅应力比和应力幅反复荷载引起的应力循环形式反复荷载引起的应力循环形式 两种类型。两种类型。同号应力循环同号应力循环异号应力循环异号应力循环应力循环的各种形式见图应力循环的各种形式见图412。应力比应力比=min/max其中其中min、max循环中绝对值最小、大的峰值应力（拉取循环中绝对值最小、大的峰值应力（拉取正号，压取负号）正号，压取负号）0 异号异号0 同号同号1 静荷载静荷载图图412 应力循环形式应力循环形式对焊接结构而言，由于焊缝附近存在着很大的焊接残余应力对焊接结构而言，由于焊缝附近存在着很大的焊接
41、残余应力降值，其数值甚至达到钢材屈服点降值，其数值甚至达到钢材屈服点fy，名义上的应力循环特，名义上的应力循环特征征(应力比应力比)并不代表疲劳裂缝出现处的应力状态。并不代表疲劳裂缝出现处的应力状态。实际上的应力循环是从受拉屈服强度实际上的应力循环是从受拉屈服强度fy开始，变动一个应力开始，变动一个应力幅幅max-min(与前面不同，此处与前面不同，此处max为最大拉应力，为最大拉应力，取正值，取正值，min为最小拉应力或压应力，拉应力取正值，压应为最小拉应力或压应力，拉应力取正值，压应力取负值力取负值)。因而因而焊接连接或焊接构件的疲劳性能焊接连接或焊接构件的疲劳性能直接与应力幅直接与应力幅
42、有关有关而与名义上的应力比而与名义上的应力比的关系不是非常密切。的关系不是非常密切。图图4-13表示不同应力循环形式下的应力幅。表示不同应力循环形式下的应力幅。图图414 不同应力循环形式下的应力幅不同应力循环形式下的应力幅22疲劳强度与应力循环次数（疲劳寿命）的关系疲劳强度与应力循环次数（疲劳寿命）的关系疲劳强度与应力循环次数（疲劳寿命）的关系疲劳强度与应力循环次数（疲劳寿命）的关系 当应力循环的形式不变，钢材的疲劳强度与应力循环的次数当应力循环的形式不变，钢材的疲劳强度与应力循环的次数（疲劳寿命）（疲劳寿命）N有关。有关。根据试验资料可绘得如图根据试验资料可绘得如图414所示曲线。图中纵坐
43、标为疲劳所示曲线。图中纵坐标为疲劳强度，横坐标是相应的反复次数（即试验到疲劳破坏时的反复强度，横坐标是相应的反复次数（即试验到疲劳破坏时的反复次数），曲线的渐近线表示应力循环即使反复无穷多次，试件次数），曲线的渐近线表示应力循环即使反复无穷多次，试件仍然不会破坏，这就是所谓疲劳强度极限，简称仍然不会破坏，这就是所谓疲劳强度极限，简称疲劳极限。疲劳极限。图图414 疲劳强度与应力循环次数的关系疲劳强度与应力循环次数的关系 钢材在连续反复荷载作用下会发生疲劳破坏，这种疲劳破坏钢材在连续反复荷载作用下会发生疲劳破坏，这种疲劳破坏在钢结构和钢构件中同样会发生。与钢材发生疲劳破坏的不在钢结构和钢构件中同
44、样会发生。与钢材发生疲劳破坏的不同处在于钢结构和钢构件由于制作或构造上的原因总会存在同处在于钢结构和钢构件由于制作或构造上的原因总会存在缺陷，而这些缺陷就成为裂缝的起源，在疲劳破坏过程中，缺陷，而这些缺陷就成为裂缝的起源，在疲劳破坏过程中，可以认为不存在裂纹形成这个阶段。可以认为不存在裂纹形成这个阶段。因此，钢结构和钢构件疲劳破坏的阶段为裂纹的扩展和最后因此，钢结构和钢构件疲劳破坏的阶段为裂纹的扩展和最后断裂两个阶段。裂纹的扩展是十分缓慢的，而断裂是在裂纹断裂两个阶段。裂纹的扩展是十分缓慢的，而断裂是在裂纹扩展到一定尺寸时瞬间完成的。扩展到一定尺寸时瞬间完成的。在裂纹扩展部分，断在裂纹扩展部分
45、，断口因经反复荷载频繁口因经反复荷载频繁作用的磨合，表面光作用的磨合，表面光滑而且愈近裂纹源愈滑而且愈近裂纹源愈光滑，而瞬间断裂的光滑，而瞬间断裂的裂口比较粗糙并呈颗裂口比较粗糙并呈颗粒状，具有脆性断裂粒状，具有脆性断裂的特征。图的特征。图415是是一吊钩疲劳断裂的断一吊钩疲劳断裂的断口。断口上部为裂纹口。断口上部为裂纹扩展部分，表面光滑；扩展部分，表面光滑；下部为瞬间断裂的断下部为瞬间断裂的断口，表面粗糙且呈颗口，表面粗糙且呈颗粒状。粒状。图图415 一吊钩疲劳断裂的断口一吊钩疲劳断裂的断口二、影响疲劳强度的因素 应力集中是影响钢结构和钢构件疲劳强度的主要因素。应力集中是影响钢结构和钢构件疲
46、劳强度的主要因素。钢结构和钢构件在截面突然改变处都会产生应力集中，钢结构和钢构件在截面突然改变处都会产生应力集中，如梁与柱的连接节点、柱脚、梁和柱的变截面处以及截如梁与柱的连接节点、柱脚、梁和柱的变截面处以及截面开孔等削弱处。此外，对于非焊接结构，有钢材表面面开孔等削弱处。此外，对于非焊接结构，有钢材表面的凹凸麻点、到痕，轧钢时的夹渣、分层，切割边的不的凹凸麻点、到痕，轧钢时的夹渣、分层，切割边的不平整，冷加工产生的微裂纹以及螺栓孔等等。对于焊接平整，冷加工产生的微裂纹以及螺栓孔等等。对于焊接结构还有焊缝外形及其缺陷，缺陷包括气孔、咬肉、夹结构还有焊缝外形及其缺陷，缺陷包括气孔、咬肉、夹渣、焊
47、根、起弧和灭弧处的不平整、焊接裂纹等等。渣、焊根、起弧和灭弧处的不平整、焊接裂纹等等。但在钢结构和钢构件中，产生应力集中的原因则极为复杂，但在钢结构和钢构件中，产生应力集中的原因则极为复杂，因此钢结构和钢构件的疲劳强度的计算比钢材的要困难得因此钢结构和钢构件的疲劳强度的计算比钢材的要困难得多。多。除此之外，还有结构和构件中的残余应力以及结构和构件所除此之外，还有结构和构件中的残余应力以及结构和构件所处的环境等都会对其疲劳强度有影响。在有腐蚀性介质的环处的环境等都会对其疲劳强度有影响。在有腐蚀性介质的环境中，疲劳裂纹扩展的速率会受到不利的影响。境中，疲劳裂纹扩展的速率会受到不利的影响。由于影响疲
48、劳强度的因素如此众多，且又交织在一起，因此由于影响疲劳强度的因素如此众多，且又交织在一起，因此很难从理论上分析这些因素对疲劳强度的影响。目前都采用很难从理论上分析这些因素对疲劳强度的影响。目前都采用实验手段，有时也辅以断裂力学的理论成果。实验手段，有时也辅以断裂力学的理论成果。三、疲劳强度的确定 近年来，随着疲劳试验设备的发展，疲劳试验已从小试件试近年来，随着疲劳试验设备的发展，疲劳试验已从小试件试验发展到足尺的大型构件实物试验。从试验中，获得了大量验发展到足尺的大型构件实物试验。从试验中，获得了大量与实际结构的外部和内部条件完全一致的疲劳性能的真实数与实际结构的外部和内部条件完全一致的疲劳性
49、能的真实数据。据。大量资料表明，对焊接结构而言，由于焊缝附近存在着很大大量资料表明，对焊接结构而言，由于焊缝附近存在着很大的焊接残余拉应力的焊接残余拉应力，名义上的应力循环特征，名义上的应力循环特征(应力比应力比)并不代表疲劳裂缝处的应力状态。并不代表疲劳裂缝处的应力状态。实际的应力状态为，从受拉屈服点处开始变动一个应力幅实际的应力状态为，从受拉屈服点处开始变动一个应力幅maxmin。因此，焊接连接或焊接构件的疲劳强度直接。因此，焊接连接或焊接构件的疲劳强度直接与应力幅与应力幅有关而与应力比有关而与应力比及应力的值及应力的值max或或min的关系的关系不是非常密切。不是非常密切。图图416绘出
50、了工形焊接梁和多层翼缘板焊接梁两组试验结果。绘出了工形焊接梁和多层翼缘板焊接梁两组试验结果。可以看出，不同的最小应力值可以看出，不同的最小应力值min，(从从42.2到到70Nmm2和从和从70到到98Nmm2)对应力幅统计破坏循环次数并无明显对应力幅统计破坏循环次数并无明显影响。影响。图图416 单层及多层翼缘板焊接工形梁的疲劳试验单层及多层翼缘板焊接工形梁的疲劳试验绘出不同钢种的试验结果绘出不同钢种的试验结果 可以看出，不同钢种可以看出，不同钢种(fy252700Nmm2)在相同应力幅在相同应力幅条件下，两种梁的破坏循环次数与钢种关系不密切。条件下，两种梁的破坏循环次数与钢种关系不密切。图