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P302

8.1.2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。

前者一旦开裂,即一裂到断,后者在一层板开裂后,不会波及其他板层。翼缘和腹板采用不焊透的焊缝连接,有利于阻止裂缝的发展。但只适用于翼缘和腹板之间无垂直于间隙的拉力时才允许。否则,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。

8.2 钢结构抗疲劳设计

8.2.1 疲劳破坏

疲劳破坏是裂缝形成，扩展及最终断裂的过程。钢结构本身内部存在微小裂纹，所以钢结构疲劳只有后2阶段。影响结构疲劳因素主要有疲劳荷载（外因），还有内因的断裂韧性，及描述缺陷应力状态的应力集中程度。

对于等幅交变荷载其幅值min max P P P -=∆对疲劳寿命影响显著。增加荷载幅值,试件的疲劳寿命呈减少趋势，同样的荷载幅值作用下,试件的疲劳寿命随初始裂纹长度的增大而减少，荷载比(或应力比)max min /P P =ρ对裂缝扩展速度较小。应力集中系数大(相应地,应力集中程度越高)，构件的抗疲劳性能越差。

8.2.2 应力幅准则

建立在应力幅基础上的疲劳校核准则：[]σσ∆≤∆（允许应力幅）

[]()βσ/1/n C =∆不同构件式连接的C ,β值见表8-2，308页

例题见311页。

8.2.3 变幅疲劳荷载

对于随机荷载谱，用最大应力幅max σ∆计算偏于保守。

实用的方法是从随机谱中提出若干个应力谱i σ∆并确定和它们相对应的频数i n ,然后,按照线性累积损伤准则 ,找出一个等效应力幅e σ∆,代替前σ∆

()ββσσ/111/⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆=∆∑∑==M i M i i i i e n n

i n ：预期使用寿命内相应于应力幅i σ∆的应力循环次数

准则假定各应力幅出现的先后顺序不影响疲劳寿命。

i i ησ,∆根据雨流计数法和水库计数法来确定，具体方法见书，改善措施见书。