钢结构构件疲劳破坏的研究分析

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ｆ矗ｅｎ西Ｉｌｅｅｒｉｎｇ ｄｅｓｉ曲．
计算模型 模型采用２层板柱结构，层高３．０ｍ，取３×３跨，柱网６
×６，柱截面４５０×４５０，混凝土∞Ｏ，荷载含自重为１０ｌ【Ｎ／秆。 楼板采用壳单元，柱、边梁采用杆单元，柱底部为固定端。
端部，使截面变化趋于缓和，打磨后的表面不应有明显刻 痕。 （３）角焊缝的趾部，用气体保护钨弧重新熔化，可以 起到消除切口的作用。此方法在不同应力幅的情况下疲劳 寿命都能同样提高。 （４）在焊缝及附近金属表层采用喷射金属丸粒或锤 击等方法引入残余压应力，是改善疲劳性能的一个有效方 法。残余压应力和锤击造成的冷工硬化均会使疲劳强度提 高，同时锤击也使尖锐切口被缓减。 ５．３．２产生残余压应力 残余压应力是改善疲劳的有效手段。因为在应力循环 中不出现拉应力的部位可以不计算疲劳，常用的方法是在 焊缝和近旁金属的表层锤击敲打和喷射金属丸粒使金属表 层有扩张趋势形以成残余压应力，同时锤击使尖锐的缺口 缓减，锤击造成的冷工硬化也使疲劳强度提高。 ６结语 在承受动力荷载作用的钢结构设计和施工过程中，必
荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次 数ｎ≥５×１０４次时，应进行高周疲劳计算。疲劳计算国际上 采用的方法是容许应力幅法。
即：△叮≤［血］，式中：血为构件的对于焊接部位的应力 幅；△口＝血一一盯。；对于非焊接部位为折算应力幅，即为 曲＝△盯。。一０．７盯袖。盯～计算部位每次应力循环中最大拉
应力（取正值）；仃。计算部位每次应力循环中最小拉应力或 压应力（拉应力取正值，压应力取负值）。［△口］为循环次数２
×１驴容许应力幅（Ｎ／Ｈ击）。
工程中有两种类型动力荷载重复作用，一种是常幅疲劳 荷载，即每次加载的应力幅大小不变，另一种是变幅疲劳荷 载，即每次加载的应力幅大小不同，呈现为随机应力谱。 常幅疲劳的容许应力幅（Ｎ／ｒｍｎ２），应按下式计算：。 ［△口］＝（ｃ，ｎ）”８ 变幅疲劳计算：若能预测结构在使用寿命期间各种载荷 的频率分布、应力幅水平以及频次分布总和所构成的设计应 力谱，则可将其折算为等效常幅疲劳，按下式进行计算：
［△ｄ］＝【∑ｎ‘（ａｆ△口一）８，∑７ｌ。】“ｐ
●＝Ｉ ‘ｏｌ
式中，ｎ为应力循环次数；ｃ、卢为参数，可根据构件和连 接类别查表采用。该系数是考虑构件之间的连接和构件的 形式的基础上，将应力集中、残余应力考虑在内，通过分类试 验得出。针对构件细节对疲劳强度的影响，把构造和连接形 式按应力集中的影响程度由低到高分为８类。第一类为基 本无应力集中影响的无连接处的主体金属，第八类则为应力 集中最严重的角焊缝，Ｃ、ｐ可查表确定；∑凡；为以应力循环 次数表示的结构预期使用寿命；ｎ；为预期寿命内应力幅水 平达到的应力循环次数；ａ，为吊车梁的欠载系数，不同的吊
ｈｅｌｐ
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ｆｂｒｃｅ
１钢结构的疲劳破坏 钢结构的疲劳破坏是指钢材或构件在反复交变荷载作 用下在应力远低于抗拉极限强度甚至屈服点的情况下发生 的一种脆性破坏。对于脆性断裂的结构，几乎观察不到构件 的塑性发展过程，没有破坏的征兆，因而其破坏后果经常是 灾难性的。所以工程设计的任何领域，无一例外都要避免脆 性破坏。 ２疲劳的特点和破坏过程 具有初始裂纹的构件在静力荷载的作用下，只有应力水 平达到临界应力时才会失稳扩展，导致破坏。若构件承受交 变应力时裂纹缓慢扩展，达到临界尺寸时即断裂破坏，这时 的破坏应力远比静力荷载作用时的破坏应力低。破坏过程 可分为四个阶段：微观裂纹形成阶段一微观裂纹扩张阶段一 宏观裂纹扩展阶段一断裂阶段。 ３钢结构抗疲劳设计 按照断裂力学的理论，在弹性范围内，构件不至出现非 过载脆性断裂的条件是：
，
（２）角焊缝应打磨焊趾。焊缝的趾部时常存在咬肉 （咬边）等切口，且有焊渣侵入。因此，要得到较好的效果，必 须如图３所示横向角焊缝Ｂ缝那样，不仅磨去切口，还要将 板磨去０．５ｍｍ，以除去侵入的焊渣。这种做法虽然使钢板截 面稍有削弱，但影响并不大。如图中Ａ缝那样磨去部分焊
ｂ
缝，就得不到改善的效果。对于纵向角焊缝，则可打磨它的
（１）钢材的内部缺陷，如偏析、夹渣、分层、裂纹等； （２）制作过程中剪切、冲孔、切割； （３）焊接结构中产生的残余应力； （４）焊接缺陷的存在，如：气孔、夹渣、咬肉、未焊透等； （５）非焊接结构的孔洞、刻槽等； （６）、构件的截面突变； （７）结构由于安装、温度应力、不均匀沉降等产生的附 加应力集中。 ５抗疲劳的措施 由疲劳性能的影响因素来看，应力幅及循环次数是客观 存在的事实，因此，提高和改善疲劳性能的途径只有从减小 应力集中人手。具体措施如下： ５．１选材 对用于动载作用的钢结构或构件，应严格控制钢材的缺 陷，并选择优质钢材。 ５．２设计措施 （１）力求减少截面突变，避免焊缝集中，使钢结构构造 做法合理化。应力集中通常出现在结构表面的凸凹处和界 面的变化处，因此在梁的拼接中尽量采用对接焊缝，避免采 用拼接板加角焊缝。 （２）要避免多条焊缝相互交汇而导致高额残余拉应力 的情形。尤其是三条在空间相互垂直的焊缝交于一点，造成
２．哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨１５００∞）
【摘要】板柱结构以其独特的优势得到了越来越多的应用，但其设计方法尚不完善。本文用有限元方法，建立空
间三维模型，分析在竖向荷载作用下板柱结构的变形特点及内力分布规律，为工程设计、规范修订提供参考。
【关键词】板柱结构；竖向位移；内力分布 【中图分类号】１Ｕ３１３．１ 【文献标识码】Ａ 【文章编号】
１００１—６８６４（２００６）０３—００８３—０３
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０引言 经济的快速发展，对大空间、大跨度建筑的需求日益增 多。钢筋混凝土板柱结构以其良好的建筑效果，建筑楼层的 有效空间加大（比肋梁楼盖）、较大柱网可满足较高的使用功 能要求和生产工艺要求，缩短工期等优点得到了越来越多的 应用，特别是在大空间住宅体系中该结构受到了开发商及业 主的青睐。但其设计方法尚不完善，比如，对其挠度尚无统 一的计算方法；弯矩系数法是混凝土结构设计规范推荐的一 种内力分析方法，研究表明有无设置边梁板的内力有很大不 同，但该法并未加以区分。本文用有限元方法建立空间三维 模型，进行数值试验研究，分析在竖向荷载作用下板柱结构 的变形特点及内力分布规律，为工程设计提供参考。
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三轴拉应力的不利状况。对于加劲肋应与受拉翼缘不焊接， 且保持一段距离。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５０～１００ｒ砌不焊。
（３）
图ｌ应力幅曲线
当应力集中不可避免时，应尽可能将其设置在低
应力区。如设计多层翼缘的变截面焊接吊车梁时，外层翼缘 切断处的应力集中必然存在，切断点的位置应选在应力幅满 足疲劳的校核条件处，翼缘长度虽比理论切断时长，但比增 ４．２循环次数 应力循环次数是指在连续重复荷载作用下的应力由最 大到最小的循环次数。在不同应力幅作用下，各类构件和连 接产生疲劳破坏的应力循环次数不同，应力幅愈大，循环次 数愈少。当应力幅小于某一定数值时，即使应力无限次循 环，也不会产生疲劳破坏，即达到了通称的疲劳极限。通常 将ｎ＝５×１驴次被视为各类构件和连接疲劳极限对应的应力 循环次数。如图２所示疲劳曲线。图中的水平线段是疲劳 极限，表明循环次数大于一定数值后不再下降。 大翼缘截面积经济。设计多层翼缘的变截面吊车梁时，翼缘 的连接也可采用应力集中较小的高强度螺栓加侧面角焊缝。 ５．３施工措施 ５．３．１减小应力集中 （１）对接焊缝应磨去焊缝表面部分。如果焊缝内部无 显著缺陷，疲劳强度可以提高到和母材相同。
高跃春：钢结构构件疲劳破坏的研究分析
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钢结构构件疲劳破坏的研究分析
高跃春
（黑龙江工程学院土木工程系。哈尔滨１５００００）
【摘要】对钢结构的疲劳问题进行研究，分析了引起钢结构疲劳破坏的原因，从而总结出提高和改善钢结
构构件疲劳性能的设计、施工等措施，达到尽量避免钢结构构件疲劳破坏的目的。
【关键词】疲劳破坏；脆性断裂；动力荷载 【中图分类号】１Ｕ５２８．５７２ 【文献标识码】Ａ
材 村
墨＝“面≤墨。
式中：墨——裂纹尖端的应力强度因子； ＾，Ｉｃ——材料的断裂韧性； ｏ——裂纹尺度； 盯——裂纹尖端的应力。
从上式可以看出，防脆性断裂设计应从几个方面入手： ①正确选用钢材，使之具有足够的韧性；②尽量减少初始裂 纹的尺寸，避免形成类裂纹；③缓和应力集中，减小应力值。 但是构件有无裂纹、裂纹尺度和裂纹尖端的应力不易测 得，因此现在具体设计采用应力幅准则。 （ＧＢ５００１７—２００３）《钢结构设计规范》规定，对承受动力
万 方数据
低温建筑技术
２００６年第３期（总第】ｌｌ期）
车梁应力频率分布差别较大，应力幅降低系数不同。 ４影响构件疲劳因素 疲劳断裂是一个十分复杂的过程，从微观到宏观，疲劳 破坏受到众多因素的影响，尤其是对材料和构件静力强度影 响很小的因素，对疲劳影响却非常显著，例如构件的表面缺 陷、应力集中等。自１９ｒ７２年里海大学Ｊ．ｗ．Ｆｉｓｌ啦提出疲劳 设计新概念至今，各国普遍公认，疲劳破坏的主要因素是应 力幅、构造细节和循环次数，而与钢材的静力强度和最大应 力无明显关系，尤其对焊接钢结构更是如此。 ４．１应力幅 对疲劳强度影响的主要因素是应力幅，而不是名义上的 最大应力重复作用的结果。原因如下：焊接结构由于在焊缝 及其附近主体金属通常均存在残余应力，有时其数值高达屈 服点强度值，故在反复荷载作用下的实际应力循环，最大拉 应力是从工开始，即口一＝工，后下降到盯血，再升至＾。因 此无论是何种应力谱，都可用△口＝盯一一口。表示其应力幅， 且只要它们的应力幅相等，不论其循环特征有无差异，名义 最大应力是否大小一样，其疲劳强度均相同。任一动力应力 幅曲线如图ｌ。