高等钢结构--疲劳与断裂
第8章钢结构的脆性断裂和疲劳 - 卢总讲话
8.2钢结构抗疲劳设计第八章钢结构的脆性断裂和疲劳8.1 钢结构脆性断裂及其防止8.1.1 脆性断裂破坏从宏观上讲，最近破坏的主要特征表现为断裂时伸长量极其微小，(例如生铁在单向拉伸断裂时为0.5%～0.6%)。
如果结构的最终破坏是由于其构件的脆性断裂导致的，那么我们称结构发生了脆性破坏。
对于脆性破坏的结构。
几乎观察不到构件的塑性发展过程，往往没有破坏的预兆，因而破坏的后果经常是灾难性的。
工程设计的任何领域，无一例外地度都要求避免结构的脆性破坏(如在钢筋混凝土结构中避免设计超筋梁)，其道理就在于此。
脆性断裂破坏大致可分为如下几类：①过载断裂：由于过载，强度不足而导致的断裂。
这种断裂破坏发生的速度通常极高(可高达2100m/s),后果极其严重。
在钢结构中，过载断裂只出现在高强钢丝束、钢绞线和钢丝绳等脆性材料做成的构件。
②非过载断裂：塑性很好的钢结构件在缺陷、低温等因素影响下突然呈现脆性断裂。
③应力腐蚀断裂：在腐蚀性环境中承受静力和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坏成为应力腐蚀断裂。
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。
对于常见碳钢和低合金钢而言,屈服强度大于700Mpa时,才表现出对应力腐蚀断裂比较敏感。
据一项1974年的调查报告称,我国铁路桥梁的高强度螺栓在十几年间约有五千分之一发生了应力腐蚀断裂。
此后采用20MnTiB钢和35VB代替40B钢,情况大有改善。
④疲劳断裂与腐蚀疲劳断裂：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。
疲劳断裂有高周和低周之分。
循环周数在10的5次方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十次,每次都有较大的非弹性应变。
典型的低周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和扩展称为腐蚀疲劳。
⑤氢脆断裂：氢可以在冶炼和焊接过程中侵入金属造成材料韧性降低而可能导致的断裂。
高等钢结构--疲劳与断裂
高等钢结构--疲劳与断裂《高等钢结构原理》断裂与疲劳部分学生作业系（所）：建筑工程系学号：1432055姓名：焦联洪培养层次：专业硕士2014年11月6日1、防止焊接钢结构脆性断裂的基本措施影响钢材脆断的直接因素有裂纹尺寸、作用应力和材料韧性。
提高钢材脆性断裂的基本措施有：①保证施工质量、加强质量检验和施焊工艺管理，避免施焊过程中产生的咬边、裂纹、夹杂和气泡等。
②焊缝不宜过分集中，施焊时不宜过强约束，避免产生过大残余应力，同时应注意焊缝过于集中和避免截面突然变化。
特别是低温下作用的静力荷载发生的脆断，常与残余应力有关。
③进行合理细部构件设计，避免应力集中。
应力集中处会产生同号应力场，使钢材变脆。
尽量避免采用厚钢板，厚钢板比薄钢板较易脆断，对钢材的韧性也有降低。
④选择合理的钢材，钢材化学成分与钢材抗脆断能力有关，含碳量高的钢材，抗脆断能力有所下降，同时控制钢材中硫和磷的含量，硫使钢材热断，磷使钢材冷断，对于在低温下作用的钢结构，应选择抗低温冲击韧性好的材料。
⑤加载速率越高，钢材的脆断转变温度提高，对于同一韧性的材料，设计动力荷载时允许最低的使用温度比静力荷载高的多，所以根据钢材不同的工作加载速率应选择不同韧性的钢材。
⑥设计结构时选择优良的结构形式，有助于减少断裂的不良后果。
2、解释应力幅是评价焊接钢结构疲劳强度的一个指标对于非焊接结构，通常用应力循环特征（应力比）min max/σσρ=来评价钢结构的疲劳强度。
但是对于焊接钢结构疲劳强度起控制作用的是应力幅σ?，而几乎与最大应力max σ、最小应力min σ及应力比这些参量无关。
这是因为：焊接及其随后的冷却，构成不均匀热循环过程，使焊接结构内部产生自相平衡的残余应力，在焊接附近出现局部的残余拉应力高峰，横截面其余部分则形成残余压应力与之平衡。
焊接残余拉应力最高峰值往往可达到钢材的屈服强度，名义上的应力循环特征（应力比）min max /σσρ=并不代表疲劳裂缝出现的应力状态。
疲劳与断裂结课小结
金属疲劳与断裂学习报告院（系）：材料科学与工程学院专业班级：研1308学生姓名：王红伟指导教师：周勇完成日期：2014年5月25日1 绪论疲劳(Fatigue)与断裂(Fracture)是引起工程结构和构件失效的最主要的原因。
在面向21世纪的今天，人们对传统强度(静载荷作用、无缺陷材料的强度)的认识已相当深刻，工程中强度设计的实践经验和积累也十分丰富，对于传统强度的控制能力也大大增强。
因此，疲劳与断裂引起的失效在工程失效中越来越突出。
19世纪中叶以来，人们为认识和控制疲劳破坏进行了不懈的努力，在疲劳现象的观察、疲劳机理的认识、疲劳规律的研究、疲劳寿命的预测和抗疲劳设计技术的发展等方面积累了丰富的知识。
20世纪50年代断裂力学的发展，进一步促进了疲劳裂纹扩展规律及失效控制的研究。
疲劳断裂失效涉及到扰动使用载荷的多次作用，涉及到材料缺陷的形成与扩展，涉及到使用环境的影响等等，问题的复杂性是显而易见的。
因此，疲劳断裂的许多问题的认识和根本解决，还有待于进一步深入的研究。
尽管如此，了解现代研究成果，掌握疲劳与断裂的基本概念、规律和方法，对于广大工程技术在实践中成功地进行抗疲劳断裂设计无疑是十分有益的。
发生断裂是因为有裂纹存在，而裂纹萌生并扩展到足以引起断裂的原因则很少不是由于疲劳。
如二次大战期间美国制造的全焊接船舶，有近千艘出现开裂，200余艘发生严重断裂破坏。
1952年，第一架喷气式客机（英国的慧星号）在试飞300多小时后投入使用。
1954年元月一次检修后的第四天，飞行中突然失事坠入地中海。
打捞起残骸并进行研究后的结论认为，事故是由压力舱的疲劳破坏引起的，疲劳裂纹起源于机身开口拐角处。
1967年12月15日，美国西弗吉尼亚Point Pleasant桥突然毁坏，46人死亡，事故是由一根带环拉杆中的缺陷在疲劳、腐蚀的作用下扩展到临界尺寸而引起的。
1980年3月27日下午6时半，英国北海Ekofisk 油田的Alexander L. Kielland号钻井平台倾复，127人落水只救起89人。
桥梁高等钢结构理论
钢结构的研究、设计、施工甚至维护都是围绕上述三个方面的问题展开。 本科阶段：强度问题，部分简单的稳定问题；方法成熟、计算准确。
研究生阶段：稳定和疲劳问题。超百年研究史，稍复杂的问题仍难以从 理论上解决，特别是局部稳定和构造的疲劳问题，主要以 数值模拟和试验研究为主。
1.1 钢结构的强度问题
1.1.1 强度问题破坏形式
（1-12）
微分方程（1-12）的通解： y Acoskx B sin kx Q x 2k 2 EI
（1-13）
当Q=0时，图1-5为理想的轴心受压杆件，式（1-13）变为：
y Acoskx Bsin kx
（1-14）
位移边界条件：x=0,y=0; x=L, y=0; 解得：
（3）强度破坏（除个别受剪脆断及低温脆断外）大都为塑性破坏，即 破坏之前会出现明显的变形，容易被觉察并采取措施防止破坏。
钢结构设计的目的：
在于使结构的可靠与经济之间选择一种合理的平衡，力求以最经济 的途径与适当的可靠度满足各种预定的功能（安全性、耐久性）的要求。 就是说，结构设计的准则应为：由各种作用所产生的作用效应（内力和 变形）不大于结构和连接的抗力或限值（由几何参数、材料性能甚至荷 载性质决定）。
如果采用容许应力来描述式（1-4），设
R f
K
y
f 为钢材的屈服强度，a为构件截面几何特征 y
则式（1-4）可写成：
f
f
S y y [ ]
K KKK
K
123
（1-5）
对于原A3钢： K 1.231.143 1.41 对于原16Mn钢： K 1.231.175 1.45
[ ] 2400 1700 1.41
1.1.2 基于强度的钢结构设计方法发展概述
钢结构的脆性断裂和疲劳
第八章钢结构的脆性断裂和疲劳8.1钢结构脆性断裂及其防止8.1.1 脆性断裂破坏1.定义从宏观上讲，最近破坏的主要特征表现为断裂时伸长量极其微小，(例如生铁在单向拉伸断裂时为0.5%～0.6% )。
如果结构的最终破坏是由于其构件的脆性断裂导致的，那么我们称结构发生了脆性破坏。
对于脆性破坏的结构。
几乎观察不到构件的塑性发展过程，往往没有破坏的预兆，因而破坏的后果经常是灾难性的。
工程设计的任何领域，无一例外地度都要求避免结构的脆性破坏(如在钢筋混凝土结构中避免设计超筋梁)，其道理就在于此。
2.脆性断裂破坏分类①过载断裂：由于过载，强度不足而导致的断裂。
这种断裂破坏发生的速度通常极高(可高达2100m/s),后果极其严重。
在钢结构中，过载断裂只出现在高强钢丝束、钢绞线和钢丝绳等脆性材料做成的构件。
②非过载断裂：塑性很好的钢结构件在缺陷、低温等因素影响下突然呈现脆性断裂。
③应力腐蚀断裂：在腐蚀性环境中承受静力和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坏成为应力腐蚀断裂。
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。
对于常见碳钢和低合金钢而言,屈服强度大于700Mpa时,才表现出对应力腐蚀断裂比较敏感。
据一项1974年的调查报告称,我国铁路桥梁的高强度螺栓在十几年间约有五千分之一发生了应力腐蚀断裂。
此后采用20MnTiB 钢和35VB代替40B钢,情况大有改善。
④疲劳断裂与腐蚀疲劳断裂：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。
疲劳断裂有高周和低周之分。
循环周数在10的5次方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十次,每次都有较大的非弹性应变。
典型的低周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和扩展称为腐蚀疲劳。
⑤氢脆断裂：氢可以在冶炼和焊接过程中侵入金属造成材料韧性降低而可能导致的断裂。
钢结构基本原理第9章 钢结构的脆性断裂与疲劳破坏 (2)
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第二节钢结构的疲劳破坏 一、疲劳破坏的概念
钢材在持续反复荷载作用下，虽然其应力低于 强度极限，甚至还低于屈服极限，仍会发生突然的 脆性断裂破坏，称为钢材的疲劳。金属结构的疲劳 按其断裂前的应力大小和应力循环次数可分为高周 疲劳和低周疲劳两种，钢结构只考虑高周疲劳计算。
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一、疲劳破坏的概念
钢材的疲劳破坏过程: 裂纹的形成→裂纹的缓慢 扩展→裂纹的迅速断裂。 疲劳破坏属于没有明显变 形的脆性破坏，危险性较 大。疲劳破坏的断口如图 9-6所示。
图9-6 断口示意 1-光滑区 2-粗糙区
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二、影响疲劳破坏的因素 钢结构的疲劳破坏先决条件是微观裂纹的形成 和裂纹部位的应力集中，然后取决于作用的连续重 复荷载产生的应力因素——应力比或应力幅，以及 应力循环次数等。
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(一)微观裂纹和应力集中 钢材生产和制造等过程中，在结构的某些部 位存在着局部微小缺陷， 即“类裂纹”。随着裂 纹的逐渐开展，应力集中现象越来越严重，进而 促使裂纹更继续开展。当重复荷载达到一定循环 次数时，裂纹的发展将使截面削弱更多，导致承 受不了外力作用，最终发生脆性断裂，形成疲劳 破坏。
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(三)材料韧性 影响材料韧性的因素除了化学成分、冶炼方 法、浇铸方式、轧钢工艺、焊接工艺等之外，钢 板厚度、应力状态、工作温度和加荷速率等有明 显的影响。 （1）钢板厚度 图9-2示出材料断裂 韧性随厚度变化的情况， 钢板厚度越大，韧性越 低，破坏的断面越平整， 表明是脆性破坏。 图9-2断裂韧性随 厚度变化
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(一) 裂纹 当裂纹扩展到临界尺寸，脆性断裂就会发生 。当一块板处于平面应变条件下（图9-1），如果 应力强度因子 K1 a K IC (9-1) 则裂纹将迅速扩展而造成断裂。
钢结构的脆性断裂和疲劳
第8章 钢结构的脆性断裂和疲劳8.1 钢结构脆性断裂及其防止8.1.1 脆性断裂破坏脆性破坏: 结构的最终破坏是由于其构件的脆性断裂导致的。
特点：无塑性发展或很小，断裂时伸长量极其微小，没有破坏的预兆。
脆性破坏分类①过载断裂:由于过载,强度不足而导致的断裂。
特点：破坏速度快，主要是钢丝束、钢绞线和钢丝绳等。
②非过载断裂:塑性很好的钢构件在缺陷、低温等因素影响下突然呈脆性断裂 ③应力腐蚀断裂: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，强度越高则对应力腐蚀断裂越敏感。
④疲劳断裂与腐蚀疲劳断裂:在交变荷载作用下,裂纹的失稳扩展导致的断裂，高周：循环周数在105以上者，低周：只有几百或几十次, 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。
⑤ 氢脆断裂: 氢使材料韧性降低而导致的断裂钢结构的非过载脆性破坏P3028.1.2脆性断裂的防止 构件不出现非过载脆性断裂的条件IC I K K ≤=σπα（含义见书） 为了防止脆性断裂,需要从三个方面着手：1.钢材选择（保证足够韧性IC K ）材料韧性指标：冲击韧性。
碳素钢：夏比V 形缺口冲击功不低于27J ；低合金高强度结构钢：夏比V 形缺口冲击功不低于34J ；公路钢桥和吊车梁在翼缘板厚度不超过4Omm ，按所处最低温度加40℃级别要求； 公路钢桥和吊车梁在翼缘板厚度超过 4Omm, 降低最低温度；低温地区避免用厚度大的钢板，必须用厚板时,应提高对冲击韧性的要求或进行全厚度韧性试验。
2.初始裂纹：减小初始裂纹，避免形成裂缝间隙，保证焊缝质量,限制和避免焊接缺陷，焊缝表面不得有裂纹；3.应力：缓和应力集中，减小应力值，避免受到约束而产生高额残余应力4.结构形式与构造细节：超静定结构优于静定结构：由于地基不均匀沉陷会导致严重不利的内力重分布。
静定结构采用多路径传递荷载优于单路径传递荷载。
单个构件：多路径组织要优于单路径组织焊接受弯构件的受拉翼缘，当弯矩很大,需要选取较厚的翼缘时,从抗断裂的角度看,后者要比前者有利。
第八章钢结构的脆性断裂和疲劳课件
如图83是一 些设置 构造间 隙的典 型例子.
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，而要采用 两面剖口的对接焊缝并予 以焊透，或采用图8-4所示 的构造方案。
止裂元件的设置： 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
二、应力幅准则 常幅疲劳的容许应力幅计算公式为：
式中： ——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
——容许应力幅( N/mm2 )，按构件和连接的 类别及应力循环次数n由下式确定：
式中参数C和β根据构件和连接的类别按表8-1采用
说明：
1)承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当 应力变化循环次数n等于或大于5×104次时，应进行
• 焊缝连接通常使得结构的刚度增大，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， 则可能一裂到底。
• 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
低温的结构要选择高韧性的材质来避免脆性破坏发生。
按下式计算：
式中: ——为变幅疲的应力循环次数. 对于没有设计应力谱的变幅疲劳钢结构可作为常幅疲 劳计算，计算时循环次数 n 应根据构件使用中满负荷 的程度予以折减。 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：
第八章钢结构的脆性断裂和疲劳
第一节钢结构脆性断裂及其防止
一、脆性断裂破坏 脆性破坏特征： 破坏前无明显变形，平均应力也较小， 没有任何预兆。破坏断口平直，呈有光泽的晶粒状，突
4.疲劳与疲劳断裂解析
3 疲惫断口形貌及其特征
2
25
5 影响疲惫缘由及措施
4、装配与联接效应 装配与联接效应对构件的疲惫寿命有很大的影响。
正确的拧紧力矩可使其疲惫寿命提高5倍以上。简洁消失的问题是，认 为越大的拧紧力对提高联接的牢靠性越有利，使用实践和疲惫试验说明，这 种看法具有很大的片面性。
5．使用环境 环境因素〔低温、高温及腐蚀介质等〕的变化，使材料的疲惫强度显 著降低，往往引起零件过早的发生断裂失效。例如镍铬钢〔0.28％C，11.5 ％ Ni，0.73％Cr〕，淬火并回火状态下在海水中的条件下疲惫强度大约只是 在大气中的疲惫极限的20％。
2
14
1、疲惫裂纹源区 疲惫裂纹源区是疲惫裂纹萌生的策源地，是疲惫破坏的起点， 多处于机件的外表，源区的断口形貌多数状况下比较平坦、光 亮，且呈半圆形或半椭圆形。
由于裂纹在源区内的扩展速率缓慢，裂纹外表受反复挤压、摩 擦次数多，所以其断口较其他两个区更为平坦，比较光亮。在 整个断口上与其他两个区相比，疲惫裂纹源区所占的面积最小 。
相垂直。
大多数的工程金属构件的疲惫失效都是以此种形式进 展的。特殊是体心立方金属及其合金以这种形式破坏的所占 比例更大；上述力学条件在试件的内部裂纹处简洁得到满足 ，但当外表加工比较粗糙或具有较深的缺口、刀痕、蚀坑、 微裂纹等应力集中现象时，正断疲惫裂纹也易在外表产生。
高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应力振幅、 低的加载频率及腐蚀、低温条件2均有利于正断疲惫裂纹的萌 6
钢结构的脆性断裂和疲劳
一、概念 1、循环荷载——结构或构件承受的随时间变化的荷载。
PP 1 A 1
A 1-1
（1）应力循环 --构件截面应力随时间的变化。
（2）应力幅 在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一次
(拉） max 0
max(1 k ) o
f
D
y
1 C(o,o) 1
式中：
B( 1, 1)
A
（
min
压
）
（
min
拉
）
非焊接结构的疲劳图
k o 1 , 1
(2 13) min
max
K---与构造形式有关的系数,由试验确定.
由上述推导可知，对于非焊接结构和轧制钢材， 疲劳强度与最大应力、应力比、循环次数和缺口效应 （构造类型的应力集中情况）有关。
应力幅对焊接结构的疲劳强度有很大影响，而与 名义最大应力σmax和应力比ρ无关。
（3）应力循环次数N（疲劳寿命）
应力幅越低，则作用循环次数
fy
就越多，即疲劳寿命越高。
1
2
b
N1 N2
0 1 2 3 4 5 6 NX105
应力循环次数N<5×104，不需要进行疲劳计算。
（一）常幅疲劳的疲劳强度计算
由试验结果，以及上述分析可知钢材的疲劳强度 主要与构件和连接分类（内部缺陷、应力集中、残余 应力）、应力循环次数和应力幅有关。
（1）构件和连接的分类
材料内部缺陷 缺陷构造缺陷 应力集中
残余应力（焊接，火焰切割，轧制边）
（2）应力幅（Δσ）和应力循环特征（应力比ρ）
疲劳与断裂5PPT课件
7
5.2 裂纹尖端的应力强度因子
裂纹的 三种基 本受载 形式：
y
x
t
z
1型 t
y
x
作用(、a)越大，抗力(K1C )越低，越可能断裂。
K是低应力脆性断裂（线弹性断裂）发生与否 的控制参量，断裂判据可写为：
K= f (Wa ,L) pa K1c 16
断裂判据：
K= f (Wa ,L) pa K1c 或 KK1C
这是进行抗断设计的基本控制方程。
f是裂纹尺寸a和构件几何(如W)的函数，查手册； K1C是断裂韧性(材料抗断指标)，由试验确定。
r， ij趋于零；但显然可知, 当q=0时，在x轴 上远离裂纹处，应有y=，且不受r的影响。故 此时应以其后的r0阶项为主项。
断裂力学关心的是裂纹尖端附近的应力场。
11
裂尖的应力强度因子K1： K1= p a
K反映了裂尖应力场的强弱；足标1表示是1型。
ij越大，K越大；裂纹尺寸a越大，K越大。 K的量纲为[应力][长度]1/2，常用MPa m。
内压 p ，则 ，临界裂纹尺寸 ac ；
若内压不变，容器直径 d ， ， ac ， 抗断裂能力越差。
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本章基本概念
低应力断裂：在静强度足够的情况下发生的断裂。
剩余强度: 受裂纹影响降低后的强度。 工程中最常见的、危害最大的是 I (张开)型裂纹。 用弹性力学方法可以得到裂纹尖端附近任一点 (r,q)处的正应力x、y和剪应力txy为：
钢结构的疲劳与断裂机理
钢结构的疲劳与断裂机理钢结构作为一种重要的建筑材料，广泛应用于桥梁、建筑和机械设备等领域。
然而，长期使用下，钢结构可能会遭受到疲劳和断裂的影响。
本文将对钢结构的疲劳与断裂机理进行探讨，以加深我们对钢结构疲劳与断裂问题的理解。
一、疲劳机理在日常使用过程中，钢结构会受到重复荷载的影响，这种反复荷载容易导致疲劳破坏。
钢材的疲劳机理可以通过以下几个因素来解释。
1. 应力水平：应力水平是引起钢材疲劳破坏的重要因素。
当应力水平超过一定的界限时，就会加速钢材的疲劳破坏。
因此，合理的设计和施工中应避免超过钢材所能承受的应力水平。
2. 微观缺陷：微观缺陷是导致钢材疲劳破坏的另一重要原因。
钢材内部可能存在的缺陷包括夹杂物、气孔、夹杂、夹渣等，这些缺陷破坏了钢材内部的完整性，从而影响了钢材的疲劳性能。
3. 循环次数：钢材的疲劳破坏与其受到的循环次数密切相关。
当循环次数超过一定的界限时，钢材开始出现微观损伤，进而导致疲劳破坏。
二、断裂机理钢结构的断裂机理是指钢材在外部载荷作用下发生严重破坏的过程。
钢材的断裂机理主要包括以下几个方面。
1. 韧性失效：钢材在受到较大的荷载作用时，可能首先经历韧性失效。
韧性失效是指钢材内部发生较大的塑性变形和局部断裂，并伴随能量吸收的过程。
2. 脆性失效：当荷载进一步增加到超过钢材的承载能力时，钢材可能会发生脆性失效。
脆性失效是指钢材发生了无法承受塑性变形的破坏，并伴随能量释放的过程。
3. 断裂韧性：断裂韧性是评价钢材抵御断裂的能力强弱的指标。
高断裂韧性的钢材在外部载荷作用下能够延缓断裂的扩展，从而提高结构的安全性。
三、预防措施为了延长钢结构的使用寿命并减少疲劳和断裂破坏的风险，我们可以采取以下预防措施。
1. 合理设计：在钢结构设计中，需要准确估计外部荷载，合理选择钢材的规格和强度等级。
同时，应设计合理的几何形状，以提高钢结构的整体刚度和稳定性。
2. 定期检查：定期对钢结构进行检查，并采取必要的维护和保养措施。
高等钢结构原理断裂与疲劳部分
同济大学建筑工程系研究生课程《高等钢结构原理》断裂与疲劳部分学生作业2015. 9.一、作业要求1．每位学生自选4道概念论述题和1道计算题。
2．应仔细审题，答题清楚到位。
鼓励有全面深入的高质量论述。
3．相互抄袭很容易识别，均按无作业成绩处理。
请独立思考答题。
4．概念论述题照抄授课教师讲稿，作业成绩最高只能得60分。
5．书面答题，统一做在A4纸上，打印和手写均可，封面写上系（所）别、学号和姓名、硕士生或博士生。
校外旁听生写上单位名称。
6．作业可集中给班长统一提交到土木大楼A711室，截至时间2015年11月20日7．本课程考核方式为期末考试和平时作业考核相结合，最终成绩为40%期末考试与60%平时作业成绩之和。
二、参考书目（1）[英]T.R. 格尔内，焊接结构的疲劳，机械工业出版社，1988。
（2）焦馥杰，焊接结构分析基础，上海科学技术出版社，1991。
（3）[德]D. 拉达伊，焊接结构疲劳强度，机械工业出版社，1994。
（4）霍立兴，焊接结构工程强度，机械工业出版社，1995。
（5）陈绍蕃，钢结构设计原理，科学出版社，2000。
（6）[荷]J.Wardenier, 钢管截面的结构应用，同济大学出版社，2004。
（7）N.E. Dowling, Mechanical Behavior of Materials, Pearson Prentice Hall, 2007（8）国家标准，钢结构设计规范GB50017－2003（9）Eurocode 3 : Design of steel structures – Part 1-9 : Fatigue,EN 1993-1-9, 2005.三、概念论述题1．焊接钢结构的缺点及其原因2．焊接结构可能出现哪些类似裂纹的缺陷3．影响焊接钢结构脆性断裂的主要因素及其效应4．线弹性断裂力学的研究对象和应用范围5．裂纹类型和裂纹尖端附近的应力场特点6．应力强度因子的一般表达式和用途7．应力强度因子与应力集中系数的区别8．应变时效的要义9．高强度钢材在动力荷载、低温条件下应用需要特别关注什么问题10．防止焊接钢结构脆性断裂的基本措施11．焊接与非焊接钢结构在疲劳性能上的异同点12．为什么焊接结构疲劳性能比非焊接结构差13．焊接结构疲劳裂纹出现的位置和扩展有什么特点14．钢结构疲劳寿命离散性具有怎样的特点15．解释应力幅是评价焊接钢结构疲劳强度的一个指标16．采用高强度钢材是否有助于改善焊接钢结构疲劳性能17．无限寿命、安全使用寿命、破损－安全等疲劳设计思想的基本要义18．基于构造分类的疲劳设计方法的特点19．何谓热点应力20．基于热点应力的疲劳设计方法的特点21．断裂力学在焊接钢结构疲劳分析中有何用武之地22．如何运用断裂力学裂纹扩展原理来预测焊接钢结构的疲劳寿命23．如何运用结构损伤原理来评估变幅疲劳问题24．可采取哪些措施来改善焊接钢结构疲劳性能四、计算题1.有一宽度很大的平钢板，中心有一长度为2a的初始裂纹，a=10mm，两侧受到均匀拉应力，钢材为高强度钢，屈服强度f y =550MPa，断裂韧性K IC =3000 MPa·mm1/2。
高等工程力学5疲劳断裂
Wohler曲线测定方法：
用旋转弯曲疲劳试验方法测定。
试样：多个相同的试样。
过程：选择不同的最大循环应力1、 2、…、n分别对每个试样进行循环 加载试验并记录其断裂前的循环周次
N1，N2，…，Nn，然后在直角坐标 图上将这些数据绘制成max－N或 max－lgN曲线，如图5-3所示。
变关系就形成滞后回线，如图5-2所示，这时存在弹性应变e和塑性应变p，其
总应变为
2 e p
(5-5)
图5-2 应力—应变滞后回线示意图
5 疲劳断裂
5.1疲劳断裂现象（续4）
应力疲劳：构件发生的总应变中弹性应变e占主要比例的疲劳。 在应力疲劳中，由于其循环应力一般较低，断裂总循环周次较高，所以这种疲 劳也称为高周疲劳。
c
(5-11)
该式表明材料的总应变幅与疲劳寿命的关系。上式中，若弹性应变幅占主要地
位，则属于应力疲劳范畴；而当塑性应变幅占主要地位时，则属于应变疲劳范畴。
当两种应变幅所占比例相当时则属于混合疲劳问题。
该式对于利用金属材料的基本力学性能指标来估计其疲劳曲线有重要意义。
5 疲劳断裂
5.3疲劳断口形貌特征
5 疲劳断裂
5.2高周疲劳与低周疲劳（续4）
在较高的循环应力的作用下，疲劳寿命为102～105次的疲劳断裂称为低周疲 劳。由于循环应力较高，常超过材料的屈服强度而产生塑性应变，所以，这是一 种在塑性应变循环下引起的疲劳断裂。低周疲劳也称为塑性疲劳或应变疲劳。
应变疲劳的特点：作用的应力较高，循环寿命较短，应力的变动频率一般较低 等。
程具有相似的表达形式，只不过所表示的物理量的内容不同，前者描述应力疲劳，
钢结构 简述疲劳断裂的过程
钢结构简述疲劳断裂的过程钢结构是一种常见的工程结构，用于建筑物、桥梁等重要工程中。
然而，长期使用和外界环境的影响会导致钢结构发生疲劳断裂。
疲劳断裂是指材料在反复加载下发生的断裂现象，通常是由于应力集中引起的。
疲劳断裂的过程可以分为几个阶段。
首先是裂纹的形成阶段。
在工程结构中，由于材料受到交变载荷的作用，结构表面会出现微小的裂纹。
这些裂纹通常是由于材料内部的组织缺陷或外界因素引起的。
随着加载次数的增加，裂纹会逐渐扩展，形成一个明显的裂纹。
接下来是裂纹的扩展阶段。
一旦裂纹形成，它会在材料中扩展，并逐渐增长。
在这个阶段，裂纹的扩展速率取决于材料的性能和加载条件。
钢结构中的裂纹扩展速率通常较快，因为钢具有较高的强度和韧性。
裂纹的扩展会导致结构的强度和刚度减小，进一步增加结构的脆性。
最后是疲劳断裂阶段。
当裂纹扩展到一定长度时，结构就会发生疲劳断裂。
这时，裂纹的长度已经超过了材料的承载能力，无法再承受加载引起的应力集中。
疲劳断裂通常是突然发生的，给结构带来严重的破坏。
这种断裂形式是一种无预警的失效方式，因此对于工程结构来说是非常危险的。
为了减少疲劳断裂的发生，可以采取一些措施。
首先是合理设计结构，避免应力集中的发生。
通过增加材料的截面积、改变结构的形状等方式，可以减少应力集中现象。
其次是加强材料的性能，提高其抗疲劳性能。
钢材可以通过热处理、表面处理等方式来提高其强度和韧性，从而延缓疲劳断裂的发生。
此外，定期对工程结构进行检测和维护也是非常重要的，及时发现和修复裂纹，可以避免疲劳断裂的发生。
钢结构的疲劳断裂是一种常见的失效方式，由裂纹的形成、扩展和最终断裂组成。
为了减少疲劳断裂的发生，需要合理设计结构、加强材料性能，并进行定期维护和检测。
这样才能保证钢结构的安全可靠运行。
结构设计原理-钢结构疲劳
钢结构疲劳问题1、疲劳现象fatigue在连续反复（循环）荷载作用下，当应力低于抗拉强度甚至低于屈服强度便发生突然脆性断裂。
这种现象称钢材疲劳破坏。
钢结构疲劳问题钢材的疲劳过程可分为裂纹的形成、裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂三个阶段。
疲劳强度与反复荷载引起的应力种类（拉应力、压应力、剪应力和复杂应力等）、应力循环形式、应力循环次数、应力集中程度和残余应力等有关。
钢结构疲劳问题产生疲劳的原因连续反复荷载材料局部缺陷（工艺微裂纹、焊缝夹渣）钢结构疲劳问题疲劳破坏机理1）形成微裂纹材料已有微裂纹或加载使杂质附近发生应力集中，造成新的微裂纹。
疲劳破坏由裂缝发展所致。
因此，无拉应力，则无疲劳破坏；无拉应力，不验算疲劳。
裂缝反复扩张、闭合，使疲劳断口上有半椭园光滑区，其余部分粗糙；钢结构疲劳问题疲劳强度与应力循环次数（疲劳寿命）的关系为保证疲劳寿命，在设计基准期内应力循环次数n应大于规定的疲劳极限，如国际焊接学会（IIW）和国际标准化组织（ISO）建议n=5×106次为疲劳极限。
根据调查，我国钢结构规范以n=105作为承受动力荷载重复作用的钢结构构件（如吊车梁，吊车桁架和工作平台梁等）及其连接所具有的最小疲劳极限。
因此，当设计要求的应力循环次数n≥105时，应进行疲劳检算。
钢结构疲劳问题对钢结构进行疲劳计算时有如下规定l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n>=105次时，应进行疲劳计算；l应力循环中不出现拉应力的部位，可不计算疲劳；l计算疲劳时，应采用荷载的标准值；l对于直接承受动力荷载的结构，计算疲劳时，动力荷载标准值不应乘以动力系数；l计算吊车梁或吊车桁架及其制动结构的疲劳时，吊车荷载应按作用在跨间内起重量最大的一台吊车确定。
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《高等钢结构原理》断裂与疲劳部分
学生作业
系（所）：建筑工程系
学号：1432055
姓名：焦联洪
培养层次：专业硕士
2014年11月6日
1、防止焊接钢结构脆性断裂的基本措施
影响钢材脆断的直接因素有裂纹尺寸、作用应力和材料韧性。
提高钢材脆性断裂的基本措施有：
①保证施工质量、加强质量检验和施焊工艺管理，避免施焊过程中产生的咬边、裂纹、夹杂和气泡等。
②焊缝不宜过分集中，施焊时不宜过强约束，避免产生过大残余应力，同时应注意焊缝过于集中和避免截面突然变化。
特别是低温下作用的静力荷载发生的脆断，常与残余应力有关。
③进行合理细部构件设计，避免应力集中。
应力集中处会产生同号应力场，使钢材变脆。
尽量避免采用厚钢板，厚钢板比薄钢板较易脆断，对钢材的韧性也有降低。
④选择合理的钢材，钢材化学成分与钢材抗脆断能力有关，含碳量高的钢材，抗脆断能力有所下降，同时控制钢材中硫和磷的含量，硫使钢材热断，磷使钢材冷断，对于在低温下作用的钢结构，应选择抗低温冲击韧性好的材料。
⑤加载速率越高，钢材的脆断转变温度提高，对于同一韧性的材料，设计动力荷载时允许最低的使用温度比静力荷载高的多，所以根据钢材不同的工作加载速率应选择不同韧性的钢材。
⑥设计结构时选择优良的结构形式，有助于减少断裂的不良后果。
2、解释应力幅是评价焊接钢结构疲劳强度的一个指标
对于非焊接结构，通常用应力循环特征（应力比）min max /σσρ=来评价钢结构的疲劳强度。
但是对于焊接钢结构疲劳强度起控制作用的是应力幅σ∆，而几乎与最大应力max σ、最小应力min σ及应力比这些参量无关。
这是因为：焊接及
其随后的冷却，构成不均匀热循环过程，使焊接结构内部产生自相平衡的残余应力，在焊接附近出现局部的残余拉应力高峰，横截面其余部分则形成残余压应力与之平衡。
焊接残余拉应力最高峰值往往可达到钢材的屈服强度，名义上的应力循环特征（应力比）min max /σσρ=并不代表疲劳裂缝出现的应力状态。
并且焊接连接部位因为截面的改变原状，总会产生不同程度的应力集中现象。
残余应力和应力集中两个因素的同时存在，使疲劳裂纹发生于焊接熔合线的表面缺陷处或焊
缝内部缺陷处，然后沿垂直于外力作用方向扩展，直到最后的断裂。
产生裂纹部位的实际应力状态与名义应力有很大差别，在裂纹形成过程中，循环内应力的变化内应力的变化是以高达钢材屈服强度y f 的最大内应力为起点，往下波动应力幅min max σσ-与该处应力集中系数的乘积。
在裂纹扩展阶段，裂纹扩展速率主要受控于该处的应力幅值。
从美国完成的焊接梁疲劳试验的结果中也可得出：在相同最大名义应力max σ下采用三种相差悬殊的名义最小应力min σ，应力幅和破坏循
环次数之间的关系都落在同一条直线附近。
不同钢材号的试件试验结果也落在同一直线附近。
3、可采取哪些措施来改善焊接钢结构疲劳性能
①加强钢结构构件的构造细节设计。
特别是构件本身的拼接和连接容易造成严重的应力集中，使构件疲劳性能变差。
②保证焊缝的施工质量，尽量避免因咬边、裂纹、夹杂和气泡等初始缺陷对疲劳性能的影响，同时提高对焊缝质量的的检验标准，对重要结构可采用一级标准。
③磨去焊缝的表面部分：如磨平对接焊缝的冗高，对角焊缝打磨焊趾，除去焊渣，但打磨后表面不应存在明显的刻痕。
④对于角焊缝的趾部用气体保护钨弧使重新熔化，可以原有的切口、裂缝、以及浸入的焊渣都可以消除，使疲劳性能得到改善。
⑤施加一个与焊接变形相反的预变形、采取适当的焊接次序、采用对称焊缝、焊前预热等措施，减少或消除焊缝残余应力，改善钢材疲劳性能。
⑥通过工艺措施，有意识地在焊缝和近旁金属的表层形成压缩残余应力，可采用锤击敲打和喷射金属丸粒。
被处理的金属表层在冲击性的敲打作用下趋于侧向扩张，但被周围的材料所约束，从而产生残余压应力。
同时，敲击造成的冷加工硬化也使疲劳强度提高。
4、基于热点应力的疲劳设计方法的特点
热点是疲劳裂纹的起源部位，具有优良焊接质量的焊接结构的热点一般位于焊趾出。
热点应力是结构或几何应力在焊趾表面部位达到最大值，是结构中危险截面上危险点。
因其是最容易发生疲劳破坏的部分，焊接结构中常取焊趾为热点。
热点应力中定义了结构最大的几何应力，同时计入了节点几何形状和荷载的影响， 但不计入施工形成的焊缝几何形状（平、凸、凹）和焊趾局部状况（焊趾半径、咬边等）的影响。
在焊接板或壳结构中，热点一般有三种类型，第一种焊趾位于附板的根部，母板的表面；第二种型焊趾位于附板的端面边缘处；第三种型焊趾沿着附板及母板的焊缝方向。
热点应力法用来评估节点焊趾处疲劳开裂，不采用名义应力，而采用连接节点处的热点应力（即几何应力）作为疲劳验算的应力指标。
优点：各种不同构造型式的焊接节点依据热点应力幅，都可应用相同的S －N 曲线，因而可以大大减少接头疲劳强度划分等级。
尤其是对大型复杂的焊接结构，采用热点分析进行疲劳评定，简化了接头形式。
(S －N 曲线仅适用圆管、方管节点；适用各种节点型式；钢管壁厚越大，疲劳强度越小）。
已成为当前钢管节点疲劳最精确、可靠的设计方法。
缺点：热点应力复杂，难以用分析方法确定结构原件的非连续性，进而难以确定它的热点力，通常采用有限元计算或应变片实际量测法来求解热点力。
对于大型复杂的焊接结构，需做专门的试验研究或有限元分析。
而由于采用不同的有限元网格划分和不同的外推方法，所以不同研究者得到的疲劳数据相差很大。
5、断裂力学在焊接钢结构疲劳分析中有何用武之地
钢结构的疲劳损伤是裂纹在重复或交变荷载作用下不断开展以及最后达到临界尺寸而出现的断裂。
断裂力学迅速发展使对疲劳问题的研究有了新的手段。
疲劳破坏经历了一个裂纹逐渐扩展到最后迅速断裂的过程，裂纹扩展正是断裂力学的研究对象。
钢结构疲劳破坏中，裂纹尖端塑形区域通常很小，线弹性断裂力学能很好的运用。
用断裂力学考察疲劳问题首先应分析裂纹扩展速率，断裂力学中引入应力强度因子a K I πσα=,当应力σ在max σ和min σ间不断循环变化时，
应力强度因子在max K 和min K 之间变化。
K 的变化幅度是min max K K K -=∆。
疲劳裂纹的扩展速率取决于a Y K πσ∆=∆。
应力强度因子是控制疲劳裂纹扩展速率的主要参量，焊接结构存在难以避免的类似裂纹的缺陷，疲劳寿命主要是裂纹扩展寿命，断裂力学是研究裂纹体扩展
特点和规律的学科。
裂纹的扩展特性：一区中当变化幅△K 小于门槛值th K 时，疲劳裂纹扩展率为零。
裂纹a 和△σ可有不同组合达到裂纹不扩展。
二区裂纹稳定扩展三区当△K 很大，接近KIC 或KC ，裂纹失稳扩展断裂。
断裂力学用于焊接结构疲劳的优点:摆脱或减少费时费钱的疲劳试验;多层面地用分析的方法了解疲劳特性、影响因素;特别适合已知裂纹尺寸、预测剩余寿命、安排检测周期的情况。
断裂力学着重于理论数值分析、试验辅助，是一门科技含量很高，发展很前沿的学科，将其应用在焊接钢结构疲劳分析中具有很宽广的前景。
参考文献：
1）陈绍蕃，钢结构设计原理，科学出版社，2005。
2）沈祖炎，陈扬骥，陈以一，钢结构基本原理，中国建筑工业出版社，2005。
3）刘刚，黄一，陈景杰，刘磊，焊接构件疲劳强度评估的热点应力法研究 进展，中央高校基本科研业务费专项资金资助，2006
4） 国家标准，钢结构设计规范GB50017－2003
5）黄向红，断裂力学在焊接结构疲劳裂纹扩展研究中的应用，机械研究与 应用，2011。