钢结构的脆性断裂和疲劳
钢结构名词解释
钢结构的优缺点:优点：强度高，质量轻；材性好，可靠性高；工业化程度高，工期短；密封性好；抗震性能好；耐热性好；缺点:价格贵，耐腐蚀性差，耐火性差钢结构破坏形式:对材料抗力而言:塑性破坏，脆性断裂破坏，疲劳破坏，损伤累计破坏。
结构性能而言:结构或构件整体失稳/局部失稳，塑性过度发展，结构变成机构钢结构对钢材的要求:有较高的强度，塑性好，冲击韧性好，冷加工性能好，可焊性好，耐久性好，钢度好抗震强。
伸长率δ:是应力应变曲线中的最大应变值等于试件拉断后的原标距间长度的伸长值和原标距比值的百分率。
断面收缩率:ψ是指试件拉断后,颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率时效现象:屈服点提高,韧性降低,并且极限强度也稍有提高。
冷拉目的:提高强度冷弯目的:抵抗断裂的能力冷弯性能:指钢材在冷加工(即在常温下加工)产生塑性变形时,对发生裂缝的抵抗力。
冷弯性能用冷弯试验来检验。
冷作硬化：在冷（常温）加工过程中引起的钢材硬化的现象。
C对弹塑性和强度的影响：屈服点和抗拉强度提高，但塑性和韧性，特别是低温冲击韧性下降，可焊性，耐腐蚀性能，疲劳强度和冷弯性能明显下降。
有害元素有：硫，大大降低塑性，冲击韧性，疲劳强度和抗锈性，热脆。
磷提高强度和抗锈性，但严重降低塑性，冲击韧性、冷弯性能，冷脆。
氧热脆，氮冷脆。
可焊性好:是指焊接安全、可靠、不发生焊接裂逢,焊接接头和焊缝的冲击韧性以及热影响区的延伸性(塑性)等力学性能都不低于母材钢材的脆性断裂是钢结构在静力或加载次数不多的动荷载作用下发生的脆性破坏。
防止刚材脆性断裂的措施：1、加强施焊工艺管理，避免施焊过程中产生裂纹、夹渣和气泡等焊接缺陷2、焊接不宜过分集中，施焊时不宜过强约束，避免产生过大残余应力。
3、进行合理细部构造设计，避免产生应力集中4、选择合理的钢材应力集中:是指结构或构件的局部区域的最大应力值比平均应力值高的现象。
应力集中的特点:能使物体产生疲劳裂纹，也能使脆性材料制成的零件发生静载断裂。
钢结构的破坏形式资料
脆性断裂是钢结构在静力和加载次数不多的动力作用 下发生的脆性破坏。结构或构件破坏前没有明显的变形和 征兆，破坏时产生的变形远比结构应有的变形能力小，吸 收能量很少，突然发生断裂破坏， 断口平齐、发亮，无机 会补救。
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钢结构的可能破坏形式
3 钢结构的 可能破坏形式
3.5 结构的疲劳破坏
3 钢结构的 可能破坏形式
工程设计上采用控制长细比x或y≥5.07b/t，以防止扭转屈曲。
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钢结构的可能破坏形式
截面为单轴对称（T 形截面）或无对称轴的轴 心受压构件绕对称轴失稳 时，由于截面形心和剪切 中心不重合，在发生弯曲 变形的同时必然伴随有扭 转变形，这种现象称为弯 扭失稳。
3 钢结构的 可能破坏形式
1
钢结构的可能破坏形式
3 钢结构的 可能破坏形式
3.1 结构的整体失稳破坏
稳定性：结构在荷载作用下处于平衡位置，微小外界挠动使其 偏离平衡位置，若外界挠动除去后仍能回复到初始平衡位置，则 是稳定的；若外界挠动除去后不能回复到初始平衡位置，且偏离 初始平衡位置逾来逾远，则是不稳定的；若外界挠动除去后不能 回复到初始平衡位置，仍能停留在新的平衡位置，则是临界状态， 也称随遇平衡。
（3）疲劳对缺陷十分敏感。
原因： 缺陷、微观裂纹、宏观裂纹。
注意：结构只有在循环拉应力作 用下才有可能发生疲劳破坏。
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钢结构的可能破坏形式
疲劳断裂过程
裂纹形成
3 钢结构的 可能破坏形式
裂纹稳定扩展
裂纹失稳 扩展断裂
疲劳分类
高周疲劳（应力疲劳）
工作应力小于fy，没有明显的塑性变形， 寿命n≥5×104次。如吊车梁、桥梁、海洋平 台在日常荷载下的疲劳破坏
钢材的疲劳-常幅疲劳
1 β ＝3
n（对数尺）
疲劳容许应力幅[Ds]与应力循环次数n的关系曲线
钢材的疲劳——常幅疲劳
四、常幅疲劳验算 参数Ｃ和的取值
构件和连接类别
Ｃ β
1
1940×1012
2
861×1012
3
3.26×1012
4
2.18×1012
5
1.47×1012
6
0.96×1012
有光泽的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特征是放射和年轮状花纹。
（3）疲劳对缺陷十分敏感。
钢材的疲劳——常幅疲劳
二、引起疲劳破坏交变荷载的两种类型 常幅交变荷载----常幅应力----常幅疲劳 变幅交变荷载----变幅应力----变幅疲劳 应力比（）
循环应力中绝对值最小的峰值应力smin与绝对值最大的峰值应力smax之比。= smin
钢材的疲劳——常幅疲劳
钢材的疲劳——常幅疲劳
一、疲劳破坏的特征 定义：钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于极限强度，甚至低于屈服强度，但 仍然会发生断裂破坏，这种破坏形式就称为疲劳破坏。
破坏过程：裂纹的形成----裂纹的扩展----最后的迅速断裂而破坏
破坏特点： （1）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有展开，属于脆性破 坏。 （2）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同。一般脆性破坏后的断口平直，呈
三、常幅疲劳 2. 焊接结构的疲劳
f
y
y
f
y
最大：
最小：
s m a x
f
f
y
f
y
Ds
f s
y
m a x
钢结构易发生的工程事故有哪些
钢结构易发生的工程事故有哪些一、钢结构承载力和刚度失效。
二、钢结构失稳。
钢结构的失稳主要发生在轴压、压弯和受弯构件。
三、钢结构疲劳破坏。
热门城市：中山律师宁德律师商丘律师固原律师乐山律师钦州律师荆门律师常州律师海东律师鞍山律师钢结构是一种新型的结构体系，有着各种各样的优点，随着钢结构的不断发展，许多其他的结构体系都在被取代，我国的钢结构也在蓬勃发展。
但是钢结构也有其不足的地方，他的一些缺陷可能造成事故。
下面小编就为您介绍钢结构易发生的工程事故有哪些。
钢结构的事故按破坏形式大致可分为：钢结构承载力和刚度失效;钢结构失稳;钢结构疲劳;钢结构脆性断裂和钢结构的腐蚀等几种。
一、钢结构承载力和刚度失效1、钢结构承载力失效指正常使用状态下结构构件或连接材料强度被超越而导致破坏。
其主要原因为：①钢材的强度指标不合格。
合格钢结构设计中有两个重要强度指标：屈服强度fy;另外，当结构构件承受较大剪力或扭矩时，钢材抗剪强度fv也是重要指标。
②连接强度不满足要求。
焊接连接的强度取决于是否与母材匹配的焊接材料强度、焊接工艺、焊缝质量和缺陷及其检查控制、焊接对母材热影响区强度的影响等;螺栓连接强度的影响因素为：螺栓及其附件材料的质量以及热处理效果(高强螺栓)、螺栓连接的施工技术工艺的控制，特别是高强螺栓预应力控制和摩擦面的处理、螺栓孔引起被连接构件截面的削弱和应力集中等。
③使用荷载和条件的变化。
包括计算荷载的超载、部分构件退出工作引起其他构件增载、意外冲击荷载、温度变化引起的附加应力、基础不均匀沉降引起的附加应力等。
2、钢结构刚度失效指产生影响其继续承载或正常使用的塑性变形或振动。
其主要原因为：①结构或构件的刚度不满足设计要求如轴压构件不满足长细比要求;受弯构件不满足允许挠度要求;压弯构件不满足上述两方面要求等。
②结构支撑体系不够。
支撑体系是保证结构整体和局部刚度的重要组成部分，它不仅对抵制水平荷载、抗振动有利，而且直接影响结构正常使用(如工业厂房当整体刚度不足时，在吊车运行过程中会产生振动和摇晃)。
钢结构简答题
钢结构简答题钢结构思考题及解答1.3 钢结构主要有哪些结构形式？钢结构的基本构件有哪⼏种类型？答：⑴钢结构的主要形式有钢框架结构、钢桁架及钢⽹架结构、悬索结构、预应⼒钢结构。
⑵根据受⼒特点构件可分为轴⼼受⼒构件、受弯构件、拉弯及压弯构件三⼤类。
钢结构还可与混凝⼟组合在⼀起形成组合构件，如钢-混凝⼟组合梁、钢管混凝⼟、型钢混凝⼟构件等。
1.4 钢结构主要破坏形式有哪些？有何特征？答：⑴钢结构破坏的主要形式包括强度破坏、失稳破坏、脆性断裂破坏。
⑵强度破坏特征：内⼒达到极限承载⼒，有明显的变形；失稳破坏特征：具有突然性，可分为整体失稳破坏与局部失稳破坏；脆性断裂破坏特征：在低于强度极限的荷载作⽤下突然断裂破坏，⽆明显征兆。
1.6 钢结构设计的基本⽅法是什么？答：基本⽅法：概率极限状态设计法、允许应⼒法。
2.1 钢材有哪两种主要破坏形式？各有何特征？答：⑴塑性破坏与脆性破坏。
⑵特征：塑性破坏断⼝呈纤维状，⾊泽发暗，有较⼤的塑性变形和颈缩现象，破坏前有明显预兆，且变形持续时间长；脆性破坏塑性变形很⼩甚⾄没有，没有明显预兆，破坏从应⼒集中处开始，断⼝平齐并呈有光泽的晶粒状。
2.2 钢材主要⼒学性能指标有哪些？怎样得到？答：①⽐例极限f：对应应变约为0.1%的应⼒；p②屈服点（屈服强度）f：对应应变约为0.15%的应⼒，即下屈服极限；yf：应⼒最⼤值；③抗拉强度uf：⾼强度钢材没有明显的屈服点和④条件屈服点（名义屈服强度）0.2屈服强度，定义为试件卸载后残余应变为0.2%对应的应⼒。
2.3 影响钢材性能的主要化学成分有哪些？碳、硫、磷对钢材性能有何影响？答：⑴铁、碳、锰、硅、钒、铌、钛、铝、铬、镍、硫、磷、氧、氮。
⑵碳的含量提⾼，钢材强度提⾼，但同时钢材的塑性、韧性、冷弯性能、可焊性及抗锈蚀能⼒下降；硫使钢材热脆，降低钢材冲击韧性，影响疲劳性能与抗锈蚀性能；磷在低温下时钢变脆，在⾼温时使钢塑性降低，但能提⾼钢的强度和抗锈蚀能⼒。
钢结构疲劳分析
钢结构疲劳问题
其他原因： 行动活荷载； 焊接缺陷：孔洞、夹渣等； 成型控制缺陷（冲孔、剪边、气割）； 几何截面的突然变形； 地震的对结构的反复摇摆，温度变化。
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钢结构疲劳问题
疲劳计算原则
安全寿命法：先估计一个荷载谱，然后通过分析和实验找出 关键构件在这一荷载普下的语气寿命，在引入安全系数以得 到安全寿命，安全寿命决定使用期限，就够后构件到安全寿 命就要报废或者更换，使用于飞机设计。
应力比：R=min/ max
应力幅：循环一周最大、最小应力差
= max- min
t
t
常幅疲劳
变幅疲劳
“常幅疲劳”是指在使用期内交变荷载下每次循环的应力变化幅 值相同；否则称“变幅疲劳”。承受吊车荷载的吊车梁属变幅疲 劳，因为起吊重量有时满载，有时欠载。
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钢结构疲劳问题
a）静应力R=1 b）脉动循环应力R=0 c)对称循环应力R=-1
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钢结构疲劳问题
延长疲劳寿命的方法： 减小初始裂纹尺寸a1。因为在裂纹尺寸很小时，扩展速率da/dN很低； 降低构件所承受的应力和采用韧性较好的材料。减低应力幅要求增大构件截 面，从而提高造价。采用高韧性材料和加强施工质量控制也都要提高造价。 于是要权衡轻重做出最佳的方案
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钢结构疲劳问题
高周疲劳：在疲劳破坏之前具有应力大，应变小的特点 低周疲劳：在疲劳破损之前具有应力小，应变大的特点 采用较小的循环应力，可降低疲劳强度，增大构件的寿命
I:对接焊缝 II:角接焊缝
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钢结构疲劳问题
应力幅准则
自从焊接结构用于承受疲劳荷载以来，工程界从实践逐渐认识
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钢结构疲劳问题
A的纵坐标是在N=N1时，交变循环荷载作用下的 max
3 钢结构的破坏形式
钢结构的可能破坏形式
3 钢结构的 可能破坏形式
正确制造
(1) 严格按照设计要求进行制作，不得随意进行钢材代换，不得随意将 螺栓连接该为焊接连接，不得随意加大焊缝厚度。 (2) 为了避免冷作硬化现象的发生，应采用钻孔或冲孔后再扩钻的方 法，以及对剪切边进行刨边。 (3) 为了减少焊接残余应力导致的应力集中，应该制定合理的焊接工艺 和技术措施，并由考试合格的焊工施焊，必要时可采用热处理方法 消除主要构件中的焊接残余应力。 (4) 焊接中不得在构件上任意打火起弧，影响焊接的质量，应按照规范 的要求进行。
N增大到一定数值(Ncr)
N继续增大(>Ncr)
不稳定平 衡状态
3
钢结构的可能破坏形式
3 钢结构的 可能破坏形式
理想的轴心受压构件(杆件挺直、荷载无偏心、无初始 应力、无初弯曲、无初偏心、截面均匀等）的失稳形式分为:
弯曲失稳 扭转失稳 弯扭失稳
4
钢结构的可能破坏形式
3 钢结构的 可能破坏形式
无缺陷的轴心受压构件 （双轴对称的工型截面） 通常发生弯曲失稳，构 件的变形发生了性质上 的变化，即构件由直线 形式改变为弯曲形式， 且这种变化带有突然性。
σmax σmin
变幅疲劳计算: 吊车荷载作用 下的疲劳计算:
e
（a） σ
t
σmax
f 210
σmin
（b）
6
16t
钢结构的可能破坏形式 图 1-1 疲劳应力谱
3 钢结构的 可能破坏形式
疲劳破坏中一些值得注意的问题
（1）疲劳验算采用的是容许应力设计法，而不是以概率论为基础的 设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂， 目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研究。 采用荷载标准值计算。 （2）对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展， 则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。 （3）国内外试验证明，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强 度的影响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。 （4）提高疲劳强度和疲劳寿命的措施 （ａ）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中； （ｂ）严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸； （ｃ）采取必要的工艺措施如打磨、敲打等。
钢结构事故现象及原因分析
摘要随着国民经济和科学技术的发展，钢结构的应用范围日趋广泛，由于其应用及结构形式发展较快，也带来一些新问题。
本文首先论述了钢结构的优点和应用前景，并从钢结构工程的深化设计、加工制作安装施工、使用过程的三个阶段出现的问题并导致结构的损伤与破坏的事故，结合生产生活中的实际案例对事故的类型、原因进行了解剖分析。
同时针对建筑工程中钢结构事故的破坏形式如：钢结构失稳，钢结构的脆性断裂，钢结构承载力和刚度失效，钢结构疲劳破坏和钢结构的腐蚀破坏等分析了产生事故的原因并提出了预防措施。
探讨了钢结构工程的深化设计开始把关，继而提出了做好钢结构构件加工质量的控制，并以严、准、细的要求控制钢结构施工安装的相应对策，将钢结构事故发生的可能性降到最低。
钢结构事故现象及原因分析一、钢结构的前景钢结构作为一种新型的结构体系，以其强度高、自重轻、塑性和韧性好、抗震性能优越、工厂化生产程度高、装配方便、造型美观、综合经济效益显著等一系列优点，受到国内外建筑师和结构工程师的青睐，近二十多年来，我国钢结构在工程建设中得到了更为广泛的应用，在材料、加工工艺、施工技术、理论分析和设计方法等诸方面都有了飞速发展和进步，应用钢结构已成为当前的一大“热点”，展现了其广阔的、具有强大生命力的前景。
在高层、大跨建筑领域显示出其无与伦比的优势。
钢结构的形式与应用范围是非常广泛的，在形式上有普钢结构、轻钢结构、空间结构、张拉结构等；应用范围，既有民用建筑钢结构、公共建筑钢结构、工业厂房钢结构、桥梁钢结构，又有特种构筑物(塔桅、储藏库、管道支架、栈桥等)钢结构等，既可应用于高度达400多米以上的高层建筑，跨度达200多米的空间结构，又可应用于几米跨度的建筑结构。
但任何事物都有着它的两面性，钢结构也有其自身的缺陷和不足，钢结构在具体应用中，也会存在一些质量问题，会发生一些工程事故，所以应采取一些积极措施加以预防[1]。
二、钢结构事故的原因（一）设计阶段的原因结构设计[2]方案不合理；计算简图不当，结构计算错误；对结构荷载实际受力情况估计不足；材料选择不宜(如强度、韧性、疲劳、焊条、焊丝、焊接方法、焊接性能等)；结构节点不合理或不完善；未充分考虑加工制作与安装施工和使用阶段工艺特点、防腐、防高温、防冷脆措施不足；没有按设计规范或没有相应的规范、规程规定。
钢结构脆性断裂与疲劳破坏浅析
钢结构脆性断裂与疲劳破坏浅析一、脆性断裂钢材或钢结构的脆性断裂是指应力低于钢材抗拉强度或屈服强度情况下发生突然断裂的破坏。
钢结构尤其是焊接结构，由于钢材、加工制造、焊接等质量和构造上的原因，往往存在类似于裂纹性的缺陷。
脆性断裂大多是因这些缺陷发展以致裂纹失稳扩展而发生的，当裂纹缓慢扩展到一定程度后，断裂即以极高速度扩展,脆断前无任何预兆而突然发生破坏。
钢结构脆性断裂破坏事故往往是多种不利因素综合影响的结果，主要是以下几方面：(1)钢材质量差、厚度大：钢材的碳、硫、磷、氧、氮等元素含量过高，晶粒较粗，夹杂物等冶金缺陷严重，韧性差等；较厚的钢材辊轧次数较少，材质差、韧性低，可能存在较多的冶金缺陷。
(2)结构或构件构造不合理：孔洞、缺口或截面改变急剧或布置不当等使应力集中严重。
(3)制造安装质量差：焊接、安装工艺不合理,焊缝交错，焊接缺陷大，残余应力严重；冷加工引起的应变硬化和随后出现的应变时效使钢材变脆。
(4)结构受有较大动力荷载或反复荷载作用：但荷载在结构上作用速度很快时（如吊车行进时由于轨缝处高差而造成对吊车梁的冲击作用和地震作用等），材料的应力-应变特性就要发生很大的改变。
随着加荷速度增大，屈服点将提高而韧性降低。
特别是和缺陷、应力集中、低温等因素同时作用时，材料的脆性将显著增加。
(5)在较低环境温度下工作：当温度从常温开始下降肘,材料的缺口韧性将随之降低,材料逐渐变脆。
这种性质称为低温冷脆。
不同的钢种，向脆性转化的温度并不相同。
同一种材料,也会由于缺口形状的尖锐程度不同，而在不同温度下发生脆性断裂。
所以，这里所说的"低温"并没有困定的界限。
为了确定缺口韧性随温度变化的关系，目前都采用冲击韧性试验。
显而易见,随着温度的降低，Cv能量值迅下降，材料将由塑性破坏转变为脆性破坏。
同时可见，钢材由塑性破坏到脆性破坏的转变是在一个温度区间内完成的，此温度区T1－T2称为转变温度区。
在转变温度区内，曲线的转折点〈最陡点〉所对应的温度T0称为转变温度。
钢结构主要知识点
1.钢结构特点：1）建筑钢材强度高，塑性和韧性好2）钢结构的重量轻3）材质均匀，和力学计算的假定比较符合4）钢结构制作简便，施工工期短5）钢结构密闭性好6）钢结构耐腐蚀性差7）钢结构耐热不耐火8）钢结构可能发生脆性断裂。
2.塑性：承受静力荷载时，材料吸收变形的能力；韧性：承受动力荷载时，材料吸收能量的能力；塑性好指结构在一般条件下不会因超载而突然破坏，只是变形增大，应力重分配，应力变化趋于平稳；韧性好指结构适宜在动力荷载下工作，其良好的耗能能力和延性使钢结构具有优越的抗震能力。
3.钢结构极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。
承载能力极限状态包括构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机动体系和结构倾覆。
正常使用极限状态包括影响结构、构件和非结构构件正常使用或外观的变形，影响正常使用的振动，影响正常使用和耐久性能的局部损坏（包括混凝土裂缝）。
4.钢结构必须满足的功能包括：1）结构应能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种情况，包括荷载和温度变化、基础不均匀沉降以及地震作用等2）在正常使用情况下结构具有良好的工作性能3）在正常维护下结构具有足够的耐久性4）在偶然事件发生时及发生后仍能保持必需的整体稳定性。
5.钢结构的适用范围：工业厂房、大跨结构、高耸结构、多层或高层建筑、承受振动荷载影响及地震作用的结构、板壳结构、可拆卸或移动的结构、轻型钢结构、钢-混凝土组合结构、其他结构。
6.塑性与脆性破坏的区别：塑性破坏是由于变形过大，超过了材料或构建可能的应变能力而产生的，而且仅在构件的应力达到了钢材的抗拉强度f后才发生。
u7.脆性破坏前塑性破坏很小，甚至没有塑性变形，计算应力可能小于钢材的屈服，断裂从应力集中处开始。
点fy8.用作钢结构的钢材应满足1）较高的强度2）足够的变形能力3）良好的工艺性能4）对环境有良好的适应性。
9.伸长率：试件被拉断的绝对变形值与试件原标距之比的百分数，其代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力。
钢结构有关疲劳的资料.
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）
钢结构特点
钢结构特点：1，建筑钢材强度高，塑性，韧性好。
2，钢结构的质量轻。
3，材质均匀，其实际受力情况和力学计算的假定比较符合。
4，钢结构制作简单施工工期短。
5，钢结构密闭性好。
6，钢结构耐腐蚀性差。
7，钢材耐火不耐热。
温度超过200度。
8，钢结构在低温和其他条件下，可能发生脆性断裂。
也就是钢筋疲劳。
E弹性模量，f y曲服强度2，钢材的主要性能：1,屈服点f y。
2,抗拉强度f u。
机械性能，安全储备。
3，伸长率（常温静载）。
4,180度的冷弯性能。
5，冲击性能，夏比试件，梅氏试件。
3，化学成分：在高温时，硫，氧使刚变脆，谓之热脆。
在低温时，磷，氮使钢变脆，谓之冷脆。
硅和锰是钢中的有益元素，他们都是炼钢的脱氧剂。
铜可以显著地提高钢的抗腐蚀性能，也可以提高钢的强度，但对焊接性能有不利影响。
冶金缺陷；钢材硬化；温度影响：温度升高，钢材强度降低，应变增大，。
温度降低，钢材强度会略有增加，塑性和韧性却会降低而变脆。
当温度在260度~320度之间，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形，此现象称为徐变。
应力集中；反复荷载作用。
4，钢的种类：碳素结构钢的牌号由代表屈服强度（Q）,屈服强度数值，质量等级符号（A,B,C,D）,脱氧方法符号（F,ZTZ）四个部分按顺序组成。
200度-20度5，钢结构的链接方法可分为焊缝连接，螺栓连接，铆钉链接三种。
焊缝连接：螺栓连接;A级与B级为精制螺栓，性能等级5.6级和8.8级，C 级为粗制螺栓，4.6级和4.8级。
小数点前的数字表示螺栓成品的抗拉强度不小于400N/mm2,小数点及小数点后的数字表示屈强比（屈服强度与抗拉轻度之比为0.6）6，高强度螺栓连接，摩擦型连接的剪切变形小，弹性性能好，施工简单，可拆卸，耐疲劳，特别适应于承受动力荷载的结构。
承压型连接的承载力高于摩擦型，连接紧凑，但剪切变形比摩擦性大，所以只适用于静力荷载或间接承受动力荷载的结构中。
7，一种是只依靠板间的摩擦阻力传力，并以剪力不超过接触面摩擦力作为设计标准，称为摩擦型连接；一种是允许接触面滑移，以连接达到破坏的极限承载力作为设计标准，称为承压型连接。
钢结构建筑的疲劳与损伤分析
钢结构建筑的疲劳与损伤分析钢结构建筑在现代建筑领域中被广泛应用，其具备高强度、轻质、耐久等优点，然而由于长期受力及外界环境的影响，钢结构建筑也存在疲劳与损伤的问题。
本文将探讨钢结构建筑的疲劳与损伤分析，以便更好地理解和处理这一问题。
一、疲劳分析1. 疲劳现象的原因钢结构建筑在使用过程中会受到重复载荷作用，这种重复载荷作用会导致结构材料内部的微小裂纹不断扩展，最终导致结构的失效。
这种现象被称为疲劳。
2. 疲劳特征疲劳在钢结构建筑中表现为结构的变形、裂纹扩展以及结构强度的逐渐下降。
在某些情况下，疲劳还可能导致结构的坍塌。
因此，疲劳分析对于确保钢结构建筑的安全性至关重要。
3. 疲劳分析方法疲劳分析的方法包括实验研究和数值模拟。
实验研究通过对钢结构建筑进行不同程度的重复载荷测试，观察结构的变形和破坏情况，以获取疲劳寿命和失效机理等信息。
数值模拟则通过建立物理模型和应力分析模型，利用计算机软件进行结构响应和破坏预测。
4. 疲劳寿命评估疲劳寿命评估是疲劳分析的核心内容之一，它用于评估钢结构在一定重复载荷下的使用寿命。
常用的评估方法包括SN曲线法、应力幅与寿命法等。
通过这些评估方法，可以得到钢结构在不同载荷条件下的疲劳寿命，从而指导设计和维护工作。
二、损伤分析1. 损伤类型钢结构建筑在使用过程中可能会出现多种损伤类型，如腐蚀、脆性断裂、焊接缺陷等。
这些损伤类型会导致结构强度的下降和变形的增加，进而影响结构的安全性和使用寿命。
2. 损伤评估方法损伤评估方法主要包括非破坏检测和结构评估两个方面。
非破坏检测方法通过利用物理信号来检测结构内部的缺陷和损伤，如超声波检测、磁粉检测等。
结构评估则通过分析损伤的类型、程度以及对结构强度和稳定性的影响来评估结构的安全性。
3. 损伤修复和加固当发现钢结构建筑存在损伤时，需要进行相应的修复和加固措施。
修复方法包括焊接、补强、涂覆等，以修复结构损伤并恢复结构的强度和稳定性。
加固方法则通过增加结构承载能力来提高结构的安全性和使用寿命。
焊接钢结构断裂与疲劳
1.焊接钢结构的缺点及其原因答：1、热影响区：受焊接高温影响，焊缝附近的母材存在“热影响区”，易使材质变脆。
热影响区内随各部分的温度的不同，其金相组织及其性能也发生了变化，有些部分的晶粒变粗。
硬度加大，塑性和韧性降低，易导致材质变脆。
2、焊缝缺陷：除非正确选择板材和焊接工艺，焊缝易存在各种的缺陷，如裂纹、边缘未融合、根部未焊透、咬肉、焊瘤、夹渣和气孔等。
缺陷的存在易导致构件产生应力集中而使裂纹扩大。
图1：各类焊缝缺陷裂纹：产生裂纹的主要原因是钢材的化学成分不当，含S高易产生热裂纹，含P高易产生冷裂纹。
不合适的焊接工艺和不合适焊接程序也将导致裂纹的产生。
裂纹有纵向也有横向，可以存在于焊缝内也有在焊缝附近的金属内。
边缘未融合：与焊前钢材表面的清理不彻底有关，焊接电流过小和焊接速度过快以致母材未达到融化状态有关。
根部未焊透：除电流不够和焊接速度过快外，焊条过粗及焊工的其他的不当操作也会致使该现象。
咬肉：因焊接参数选择不当或由于操作工艺不正确产生，如所用的焊接电流过强和电弧过长。
这是靠近焊缝表面的母材处产生的缺陷。
焊瘤：是焊接过程，熔化的金属流淌到焊缝以外未熔化的母材所形成的。
夹渣：是微粒焊渣在焊缝金属凝固时来不及浮至金属表面而存在于焊缝内的缺陷。
焊缝冷却过快会加剧此现象。
气孔：焊条受潮，熔化时产生的气体侵入焊缝而形成的。
总之，以上缺陷的存在，会导致构件产生应力集中而使裂纹扩大。
3、裂缝易扩展：焊接结构的刚度大，焊接结构具有连续性，局部裂缝一经产生便很容易扩展到整体，加剧了焊接钢结构的低温冷脆现象。
4、残余应力：焊接后，由于冷却时的不均匀收缩，构件内将存在焊接残余应力，在构件服役过程中，和其他所受荷载引起的工作应力相互叠加，使其产生二次变形和残余应力的重新分布，不但会降低结构的刚度和稳定性而且在温度和介质的共同作用下，还会严重影响结构的疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力。
5、残余变形：焊接后，由于不均匀涨缩产生焊接残余变形，如原来为平面的钢板发生凹凸变形等，残余变形还会使构件尺寸和形状发生变化，矫正费工，如果矫正效果不佳，会影响构件的正常受力，产生附加的力和弯矩。
浅论钢结构的脆性断裂和抗疲劳设计
未达到材料的抗拉 强度 ， 甚至还低于屈服点 。 尤其是在焊接 结构
大量取代铆接结构 的过程 中， 脆断发生频率一度增高 ， 中不 乏 其 后果严重者。究其 原因， 有如下 一些 ：
（） １焊缝缺陷的存在， 使裂纹萌生的概率增大 。
（） 缝结构 中数值可观 的残 余应力 ， 为初 应力场 ， ２焊 作 与荷 载应 力场 的叠加可导致 驱动开裂 的不利应力组合 。 （） ３ 焊缝连接通 常使得结 构的刚度增大 ， 结构的变形 ， 括 包 塑性 变形的发展得 到更 大的限制 。尤其 是三 角焊缝 在空间相互
低温 的 结构 要 选 择 高 韧 性 的材 质 来 避 免 脆 性破 坏 发 生 。
为 了防止脆性破坏 ， 需要从五个方面着手： （） １正确选用钢材， 使之具有足够 的韧性 Ｋ 。 目前工程中常
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。
用冲击韧 性作为 材料韧性 指标 ，因其试样 截面一 律用 １ｍｍｘ ０
疲劳 。
还使钢结构具有优越 的抗震性能。
（） ２ 材质 均匀 ， 和力学计算 的假定 比较符合。钢材 内部组织 比较接近于匀质和各 向同性体 ，而 且在一定 的应力幅度 内几乎 是完全弹性的。
（） ５ 氢脆疲劳： 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。焊条在 使用前需要烘干 ， 就是 为
为， 强度越高则对 应力腐蚀断裂越敏感。其 中， 尤其是含碳量高 的钢材表现 出对应力腐蚀断裂 比较敏感 。
（） 量减小初 始裂 纹的尺寸， ２尽 避免在构造处理 中形 成类 似 于裂纹的间隙。 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。焊缝表面不得有裂纹。焊缝
钢结构构件脆性断裂的分析及控制措施
第22卷第1期2004年3月 河北建筑工程学院学报JOURNAL OF HEBEI INSTITU TE OF ARCHITECTURAL EN GINEERIN G Vol.22No.1March 2004收稿日期:2002-12-09作者简介:男,1975年生,讲师,张家口市,075024钢结构构件脆性断裂的分析及控制措施李志强1 孟志山2 房东升31河北建筑工程学院;2张家口市第一建筑工程有限公司;3栾城县建设局摘 要 主要就钢结构构件脆性断裂的因素进行深入分析.从实践出发,对目前国内外有代表性的钢材脆性评定方法进行简要介绍.并就钢结构在设计和制造上如何预防和控制脆性断裂提出了具体的措施.关键词 脆性断裂;因素;评定方法;控制措施中图号 TU311从19世纪末期钢结构大量采用开始,因钢结构脆性断裂而导致的事故不断出现,有一些造成了重大人员和财产损失.世界上第一次有记录的钢结构脆性断裂破坏发生于1886年10月,美国纽约州长岛的格拉凡森(Gravesend ,Long Island ,N ・Y ・)一个大的铆接立柱式钢水塔在一次以静水压力验收试验中,水塔下边截面25.4mm 厚板突然沿6.1m 长竖向裂开,裂开部位是由很脆钢板组成.我国近期发生的如1996年吉林省五道江大桥(跨度28m ),大桥桥架第一、二根斜拉杆脆性断裂,桥节点有裂缝0.1～0.2mm 宽,共计裂缝700多条,幸亏发现及时未致重大事故发生.1 钢结构脆性断裂的因素导致钢结构构件脆性断裂的因素很多,主要因素有化学成份、温度、构件厚度、冶金缺陷、构造缺陷、设计缺陷等,限于篇幅及论文侧重点,只简要论述最基本的前三种因素.1.1 钢中碳、硫、磷元素含量的影响钢中碳元素含量增高会使钢的脆性转变温度升高.随含碳量的增加,钢的最大恰贝冲击值显著降低.恰贝冲击值与试验温度曲线梯度趋于缓慢,而脆性转变温度显著升高,如图1所示.钢中磷含量的增加使晶界断裂应力降低,脆性转变温度升高.文献[1]指出钢中含0.1%以上的磷就会引起晶界断裂应力降低.磷对钢脆性转变温度影响如图2所示,随磷含量增加,钢脆性转变温度升高.硫与磷的存在对钢的断裂韧性起有害作用.随硫、磷含量增加,钢的K 1c 值下降.文献[2]提供了硫、磷对40SiMnCrMoV 超高强度钢的K 1c 影响,如图3和图1所示.硫、磷含量增加使该钢K 1c 降低,硫危害性更大.文献[3]指出:AISI4345钢随硫含量增加使K 1c 值降低.但个别现象是GCr15钢中硫含量增加反而有利于K 1c 值提高.钢中锰元素的存在对改善其脆性性能有一定帮助,随锰与碳之比值提高,碳、磷有害作用下降,钢的脆性转变温度显著降低.如图4所示.硫、磷降低钢的断裂韧性的原因,主要有两点:1)偏聚于原始奥氏体晶界,促使晶界脆化.2)硫化学反应生成MnS 在基体中形成脆性微裂纹起源核心,使微裂纹成核源增加,导致脆断容易发生.减少钢中硫、磷含量是改善钢断裂韧性的重要途径,特别是超高强度钢.选用适宜冶炼方法是提高钢的纯度最直接、最易实现的途径,与普通电炉炼钢法相比,采用真空冶炼能提高钢的纯度,超高强度钢表1 S 、P 对钢的K 1c值的影响一般用真空自耗炉(或真空电弧炉)重熔,以减少钢中杂质和偏析,以提高钢断裂韧性.各先进工业国都对硫、磷含量作了较低规定,一般都限于0.06%以下,但我国各大钢厂所产钢材偏析依然较重,质量不稳定,影响偏析的因素中(铁矿石元素、炼钢方法、钢锭大小、冶炼技术等),主因是炼钢方法和冶炼技术.偏析大将会引起热脆、冷脆、裂缝、疲劳等一系列问题.1.2 钢板厚度对脆性断裂的影响随着工业经济水平的提高,工程结构大型化成为趋势,构件钢板厚度有大为增加趋势,而钢板厚度92第1期 李志强 孟志山 房东升 钢结构构件脆性断裂的分析及控制措施增加,对钢脆性断裂有较大影响,厚钢板的缺口韧性差已由试验证明.在V 型恰贝试验中,随钢板厚度增加,脆性转变温度(FA TT )提高,如图5所示.由止裂试验证明:低碳钢板厚由50mm 增加到125mm 时,止裂温度(CA T )值约升高0.4℃/mm.文献[4]介绍了C -Mn 钢板厚度对脆性断裂开始温度的影响,由图6所示的深缺口试验所测得脆性断裂开始温度[Ti ]c =40与板厚的关系,图中表明:钢板由50mm 增加到150mm ,板厚每增加1mm ,其脆性断裂开始强度上升0.17℃;钢板由150mm 增加到200mm ,板厚每增加1mm ,其脆性断裂开始温度上升0.52℃,也即钢板越厚,低温脆性倾向越强.2 低温脆性试验和评定方法钢材脆性特性的评定方法,国内外有多种试验方法,由于观点各异,所以评定指标亦不同.目前国内工程界常用小型试验方法有缺口静弯试验、撕裂试验、冲击韧性试验和落锤试验等,大型实验方法有Roberton 试验、ESSO 试验、双重拉伸试验、断裂力学试验、动态断裂韧性试验.以实际工程中常用的冲击韧性试验为例,其脆性评定常有两种方法:1)在某一规定冲击能量水平上发生断裂的温度作为材料的脆性转变温度;2)在脆性转变温度区间中,冲击试样断口外形从韧性的纤维状转变为脆性粗晶粒状态.因此第二种评定方法是用粗晶面百分率或断口纤维的百分率为50%(或65-70%)时的温度,作为冷脆转折温度(FA TT ).有些国家提出以断裂后试样断面收缩率为3.8%作为验收标准.3 断裂韧性K 1c 与恰贝冲击能Cv 的关系恰贝冲击试验得到较广泛采用,但其Cv 值不能直接反映实际结构材料的脆性特性.而断裂力学结构脆断防止提供了定量的依据,对设计而言,K 1c 值比Cv 值有用.但由于中、低强度钢K 1c 测定费用高昂(因为该试验需很厚钢板,因此需能量较大设备及仪器),因此相比较Cv 值测定试验简单易行,费用较低,工程实用仍有价值.国外对K 1c 与Cv 间关系做过一些研究试验,获得了一些经验公式.(1)转变曲线上限有温度范围内Cv 与K 1c 的关系,由Rolfs 等人提出,文献[5],以供参考.K 1c /σs =5(Cv/σs -0.05)Cv ———在80°F 温度上由标准恰贝试样测定冲击, ・磅;K 1c ———在80°F 温度上断裂韧性,千磅/英寸3/2;σs ———在80°F 温度上屈服应力,千磅/英寸2;(2)在低温和转变温度范围内Cv 与K 1c 的关系,文献[6].03河北建筑工程学院学报第22卷K 1c =15.5(Cv )1/2,符号意义同上,英制单位.(3)动态断裂韧性K 1d 与Cv 的关系,文献[7]给出中、低强度钢经验公式.K 1d =15.873(Cv )0.375,符号意义同上,英制单位.在裂纹尖端上高的约束(如钢板厚度,平面应变状态)能导致钢结构早期脆断,因此,设计上力救使缺口尖端约束程度最小(如薄钢板或平面应力状态),故材料选择中应考虑板厚对韧性的影响,为建立一个对各种结构适用而满意的约束水平,可采用断裂力学得出下列3式:1)弹性平面应变状态:(K 1c /σs )或(K 1d /σyd )<(t/2.5)1/22)平面应力(弹塑性)状态:(t/2.5)1/2<(K 1c /σs )或(K 1d /σyd )<a (t )1/2上式中:a -常数,为2～3;t -钢板厚度,mm ;K 1c ,K 1d -静态、动态断裂韧性,N/mm 2;σs ,σyd -静态、动态屈服应力,N/mm 2.4 钢结构在设计和制造上对脆性断裂的控制传统设计的强度计算以钢材屈服强度作为设计依据,它能满足一般情况需要,但它不能避免结构脆性断裂的发生,因为传统设计没有考虑钢材各元素含量、钢板厚度、温度、加载速度、三向应力状态等会引起脆断的因素.随着近代工业发展,如何从设计和制造上防止结构脆断成为一个很重要的研究课题.采用合理的结构设计防止脆断裂的发生,主要对下列方面加以控制:结构最低工作温度、应力集中状况、材料断裂韧性水平、材料缺陷情况、结构承受荷载情况(是否承受重复荷载,冲击荷载)以及环境腐蚀情况.(1)由于温度、材料厚度是影响脆断的主因,所以设计时要求接头的承载能力设计得比与其相连的杆件承载力高20%～50%.在满足应力和构件稳定性前提下,设计构件的断面应尽量选用最薄断面,增加构件厚度将增大脆断的危险.(2)保证焊接质量,尽量减少因焊接造成的缺陷,设计上应选择适当的焊缝金属缺口韧性,较厚板材或型钢焊前必须预热,施焊过程中尽量不在负温条件下进行,焊接后必须保温缓冷,尽量保证焊接质量,减少缺陷产生.若结构在设计上不能避免应力集中和焊接质量时,则必须选用韧性高的材料和焊条,以保证结构有较高抗脆断能力.还有当某一结构部位由于结构形状限制而不能进行非破坏性检查,或结构中小于临界尺寸的缺陷被漏检时,若材料有较高韧性,则对减小结构的脆断危险将起重要作用.(3)设计焊接结构应尽量避免焊缝集中和重叠交叉.要采用较好的焊接工艺(合适的输入热量和操作方法).为保证焊透,应当考虑使结构最低工作温度尽量大于钢材冷脆转变温度.若结构工作温度过低甚至低于钢材冷脆转变温度,则应降低设计应力,使应力低于不会出现裂纹扩展的水平,即在CTA 以下.若设计应力亦无法降低,则只能选用韧性更高、冷脆转变温度更低的钢材.(4)在结构设计中应尽量将因缺陷引起的应力集中减小到最低限度,如避免尖锐角,尽量用较大半径的圆弧.设计中应尽量保证结构的几何连续性和刚度连贯性,因为不连续的突变区往往形成应力集中,同时应对连渡段的连接采取正确焊接方法.接头处在焊接与制造时可能有缺陷,所以需将接头远离应力集中区,最好在应力最小部位,尽量避免焊缝表面缺陷.残留焊接金属或凸部分应清除干净.以使表面平整,对承受冲击或反复荷载的对接接头应用外拖板,使起弧和灭弧均落于接头母体外边.焊好后再割下拖板,便能保证焊缝质量.焊接管和其它配件端,在全部焊完后,应打磨出一个平滑圆角,可以减少应力集中.受拉构件上焊缝应顺接力方向设计,不要垂直向施焊,否则会导致晶粒粗大,韧性很差的热影响区,横割拉力,即“切割”现象.最后需补充的是,无论何种焊接结构,在各方面条件具体情况下,应尽量消除焊接残余应力,以防止焊接结构件变形,引起附加应力或造成安装就位困难,方法可采用振动法或加热回火法等,可根据工程具体情况而定.13第1期 李志强 孟志山 房东升 钢结构构件脆性断裂的分析及控制措施(5)设计人员选用钢材时,除应核算强度外,还应保证材料有足够韧性,应从断裂力学理论出发选择具有较高断裂韧性的材料.在静荷载下裂纹产生和扩展是由局部区域上应力高度集中引起,如果是韧性较高材料,裂纹进一步扩展将会遭到遏制,这是因为裂纹扩展需消耗更多的能量.实际工程中,可采用常用的恰贝冲击韧性实验(其它实验方法均可,视实际条件而定),得到恰贝冲击能Cv ,由前面2中所述Cv 与断裂韧性K 1c ,由K 1c 评定钢材脆性特性,以此作为选择钢材依据,此方法简单易行,耗费时间少,成本低,具有较普遍的工程意义.参 考 文 献[1] Hogkins B E et al :J.I.S.I 1958;188;218[2] 北京钢铁研究院超强度组.新金属材料.1975,3;1[3] Wei RP.ASTM.STP 3811965;279[4] 邓枝生.新金属材料.1995;11～12,123[5] Barsom J M ,Rolfe S T.ASTM STP 466.1970.281[6] Parist P C ,etal.ASTM ,STP599,1973;86[7] Sailors R H ,etal.ASTM ,STP514,1971,164[8] 褚武扬.断裂力学基础.科学出版社,1979[9] 周顺深.钢脆性和工程结构脆性断裂.上海科学技术出版社,1986[10]IMPACT TESTIN G OF METAL S 1970Amposium presented at the 72nd Annual Meeting ,ASTM Atlantic City , N.y.22-27J une 1969Analysis of Steel Structure Member Brittle Fracture and Its Control MeasureLi Zhiqiang 1 Meng Zhishan 2 Fang Dongsheng 31HeBei Institute of Architecture and Civil Engineering ; 2Zhangjiakou No.1Construction Engineering Co.Ltd ; 3Construction Bureau of Luancheng County ,HeiBei ProvinceAbstract This article mainly goes on deep analysis with the factor of steel structure brittle fracture ,and sim ply in 2troduces the domestic and foreign representative evaluation of steel brittleness at present.In addition ,it puts forward overall and s pecific measrures to prevent and control brittle fracture when we design and construct steel struc 2ture.K ey w ords brittle fracture ;factor ;evaluation ;control measure 23河北建筑工程学院学报第22卷。
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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。