钢结构的疲劳破坏事故讲解

(6)螺纹加工工艺 ①加工方法的影响 螺纹加工方法大体可分为两大类，一类是切削法，包括车
螺纹、铣螺纹、磨螺纹和板牙套螺纹、丝锥攻丝等；另一类 是滚压法，包括搓丝和滚丝。试验验证，螺纹的加工方法对 变载荷下的疲劳强度影响甚大，滚压螺纹有较高的疲劳强度， 因为滚压时的塑性变形能提高螺栓的疲劳寿命，而且在滚压 牙根部分时．在牙根形成有益的残余压应力，并改善了材料 的结构。正确选择滚压工艺，即使在较高的预紧力下，也能 使疲劳寿命提高20％～50％。
第6章 钢结构的疲劳破坏事故
6.1 疲劳破坏的概念
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发生的一种破坏。 1. 疲劳破坏是钢结构在反复交变动荷载作用 下的破坏形式，而塑性破坏和脆性破坏是 钢结构在静载作用下的破坏形式； 2. 虽然具有脆性破坏特征，但不完全相同； 3. 断口分为疲劳区和瞬断区。
• 吊车梁及吊车桁架疲劳计算
f 2106
6.6 网架结构疲劳问题的系统研究
6.6.1 疲劳问题的提出 网架是一种高次超静定的空间结构，由于
其外形美观、受力合理、制作简便、形式灵 活等特点，得到了迅猛发展。网架结构不仅 应用于体育场馆等公共建筑，也广泛应用于 工业建筑中。悬挂吊车充分发挥了超静定结 构对集中力扩散快的优点，而且布置灵活， 便于工业流程改造。悬挂吊车吨位及运行频 繁程度增大，疲劳问题也日趋严重。
可以减小微动磨损的不利影响，从而提高其疲劳强度；过大 或过小的预紧力都是不利的。过大的预紧力有可能导致螺栓 被拧断，锥头或封板可能被压坏，也可能使螺纹牙被剪断而 脱扣；过小的预紧力虽能使螺栓上循环变化的总载荷的平均 值减小，但却使载荷变幅增大，导致高强螺栓的疲劳寿命下 降。因此，预紧力的大小及准确度都是十分重要的。
理论和试验研究表明，当螺纹外径在5～20mm范 围内，随螺纹外径的增大，理论应力集中系数显著 增加，当螺纹外径超过20mm后，增长缓慢。
(3)牙根圆角半径 疲劳试验表明：大部分高强螺栓的疲劳断裂发生在螺栓承力
的第一圈螺纹牙处，该处螺纹的疲劳强度只是同直径光滑试件 的1/8～1/2。
另外，牙根圆角半径与应力集中的大小紧密相关，图给出了 当r/p=6时(p为螺距) ，理论应力集中系数值与螺纹牙根圆角半 径的近似关系。由图可见，理论应力集中系数随r/p值的增加而 迅速下降，当r/p>0.21后，理论应力集中系数又缓慢上升。这 是因为载荷分布因螺纹牙柔性下降而较不均匀之故。可以认为 r/p在0.18～0.21之间是最有利的。此时的理论应力集中系数几 乎比r/p=0.063的螺纹低1/3。
6.6.2 焊接空心球节点网架的疲劳性能
与螺栓球节点网架相比，其整体刚度大，更适用 于悬挂吊车动载作用的工业厂房。试验证明受压时 不存在疲劳问题。
1984年，太原理工大学开始对焊接空心球节点网 架的静力及疲劳性能进行系统的理论及试验研究， 通过对4种规格、15个试件的常幅疲劳试验，得到了 工程中常用的管--球节点在剖口焊情况下的疲劳曲线 (如图)。
总之，依靠精心的选材、设计、制作、安装和使用，再加上焊接之后的 一些特殊工艺措施，可以达到提高和改善疲劳性能的作用。
6.4 疲劳设计准则
• 无限寿命设计 • 有限寿命设计 • 破损-安全设计 • 损伤-容限设计
1. 无限寿命设计
这是一种最保险的方法。采用此准则 设计的许用应力必须低于疲劳极限，因 应力很低，造价过高，往往不现实。
6.2 疲劳破坏的影响因素分析
1. 应力幅
max min
2. 循环次数 规范将5×106次视为疲劳极限的循环次数
3. 构造细节 应力集中对疲劳性能影响显著，而构造细 节是应力集中产生的根源。
6.2.1 应力幅
应力循环特征可分为常幅循环应力 谱和变幅循环应力谱。除应力幅外应力 比 min / max 也是标志应力谱特征的参 量。
6.2.2 循环次数
应力循环次数是指在连续重复荷载作用下应力由最大到 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，即达到通称的疲劳极限。《钢结构设计规 范》参照有关标准的建议，将n=5×106次被视为各类构件和 连接疲劳极限对应的应力循环次数。
(4)螺纹的牙形角 螺纹的牙形角对螺纹联接的疲劳极限影响很大。已有研究成
果表明，M10螺纹的双头螺栓在牙形角α=45°、60° 、75° 和90°时的各种极限应力幅中，牙形角为60°时最不利。 (5)螺栓头过渡圆角半径
螺栓头与螺杆的过渡圆角处也是疲劳破坏的一个危险区，虽 然其破坏概率不如第一螺纹牙处大，但是由于该处截面突变， 也会产生较高的应力集中。试验证明，螺栓头与螺杆的过渡圆 角等于或大于0.2d(d为螺纹外径)时，疲劳强度较高。
② 表面状态的影响 高强螺栓螺纹的表面粗糙度对其疲劳强度有显著
影响，图给出了不同表面粗糙度螺栓试件的疲劳极 限与抛光螺栓试件的疲劳极限之比的数据。由图可 见，表面粗糙度值愈大，疲劳极限愈低。表面粗糙 度对合金钢制螺纹疲劳极限的影响比对碳钢制螺纹 的大。
3. 制作安装 (1) 制作安装缺陷 在螺栓球节点网架各杆件的制作、安装过程中，
(1)螺纹形式 在螺栓球节点网架中，高强螺栓通常仅受
到轴力作用，其疲劳强度主要与螺纹的缺口 效应有关，不同的螺纹形式产生不同的缺口 效应，缺口效应则主要表现为螺纹根部不同 的应力集中系数。
(2)螺纹尺寸 通常构件尺寸愈大，缺陷出现的概率愈大，疲劳
强度也愈低。试验研究表明，随着高强螺栓直径的 增加，疲劳强度呈下降态势，如图所示。
6.2.3 构造细节
应力集中对钢结构的疲劳性能影响显著， 而构造细节是应力集中产生的根源。构造细 节常见的不利因素如下： (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。
2.有限寿命设计
有限寿命设计准则要求零部件或结构在给定的使用周期内 不能产生任何疲劳裂纹。为满足此要求，必须准确掌握整个 使用寿命期间可能承受的载荷；然后通过分析和实验找出关 键物件在这一荷载谱作用下的预期寿命．再引入安全系数以 达到安全寿命。但事实上，我们很难预测使用期间所有的载 荷条件，且疲劳实验结果又有很大的离散性。因此，安全系 数确定中有许多不定因素，只有取的足够大，才能使疲劳破 坏的可能性降到很低。
(3)材料缺陷 钢材中总是存在各种各样的缺陷，它们对
疲劳强度有很大髟响。其影响的程度取决于 缺陷的大小、形状、数量、位置、方向。
2 构造及加工
构造细节对高强螺栓疲劳性能的影响十分显著，它主要反 映了应力集中的严重程度。如螺栓的螺纹形式、键槽、螺帽 过渡圆角以及制作工艺和热处理加工等。
通常，高强螺栓的疲劳危险区有三处：①与螺栓球节点连 接处第一螺纹牙根部，经理论分析，各螺纹牙上的应力分配 是不均匀的，一般第一螺纹牙传递的应力为最大；②螺栓头 与螺杆的过渡圆角处；③螺纹与光滑部分的过渡处。试验表 明：疲劳破坏大都发生存第①最险区。
3. 针对M20、M30、M39三种规格的高强螺栓共50个试件进 行了常幅疲劳试验和程序块变幅疲劳试验，建立了常幅疲 劳的设计方法以及变幅疲劳的寿命估算方法。
4. 通过金相断口分析，对疲劳破坏机理进行了深入研究。
6.6.4 高强螺栓的疲劳影响因素分析
疲劳是一个非常复杂的过程，受很多因素的影响。在静力 问题中，对材料和构件影响很小的因素，在疲劳问题中会表 现得非常显著。实际结构的疲劳强度，不仅跟材料性质有关， 而且与其几何形状、尺寸大小、应力集中、加工工艺和工作 应力等密切相关。正是由于众多因素的影响，才导致了疲劳 试验数据的离散性。只有搞清这些因素的影响，才能有效地 提高结构的疲劳强度，防止疲劳破坏的发生。
Байду номын сангаас
(2)金相组织
从金相组织来看，所有的金属材料都是不均一的。 组织的不均一性导致了许多部位的局部应力较高。 细颗粒材料的疲劳性能一般比粗颗粒材料好。这是 因为颗粒愈细则其拉伸性能愈好，虽然局部应力有 时超过屈服强度．但相邻晶粒之间的塑性约束量也 增多。而且，颗粒愈细意味着裂纹阻碍也愈多．裂 纹长度也愈短。
1. 通过对随机荷载谱相关问题的理论研究，编制了我国螺栓 球节点网架疲劳载荷谱程序。
2. 借助有限元分析软件，对螺栓球节点相关的高强螺栓、锥 头、封板等部件进行了应力分析，求得了各种螺纹形式下 的高强螺栓螺纹根部的应力集中系数，为今后疲劳累积理 论估算疲劳寿命或以热点应力幅为参量建立疲劳验算方法 奠定了基础。
3. 破损-安全设计
破损--安全设计准则首先是在航空工程中发展起 来的。它认为裂纹可以出现，但在整个裂纹被检测 和进行修理前，所出现的裂纹不会导致整个结构的 破坏。这就要求定期检查和维修，以便及时发现裂 纹，同时要求裂纹扩张速度较慢。此外，希望所设 计的结构能够进行载荷多路径传递转移，即将结构 某一环节破坏后，载荷能够被转移并重新分布。
制作安装缺陷;螺栓的预紧力 4. 工作应力
应力幅;平均应力
1材料性能 (1)钢材种类 目前，螺栓球节点网架中高强螺栓的钢材种
类有：40Cr、20MnTiB、35VB、35CrMo钢材 种类对于疲劳强度的影响可以通过极限强度值 反映出来。凡具有相同屈服强度或极限强度的 各种钢材，其疲劳强度一般没有太大的差别。
螺栓球节点网架的疲劳性能取决于节点的疲劳性能，而节 点的疲劳性能又在很大程度上取决于高强螺栓的疲劳性能。 高强螺栓疲劳影响因素主要有以下四个方面：
1. 材料性能 钢材种类;金相组织;材料缺陷
2. 制作及加工 螺纹形式;螺纹尺寸;牙根圆角半径;螺纹的牙形
角;螺栓头过度圆角半径;螺纹加工工艺 3. 制作安装
因尺寸误差导致的杆件偏心在所难免。这种偏心导 致了高强螺栓螺帽与锥头或封板连接处是半边压紧 而另半边放松，螺栓的受力已不是单纯的轴向拉压， 而是拉弯或压弯复合受力。偏心受力必然导致螺栓 截面上的应力不均匀，疲劳强度大大降低。
(2) 螺栓的预紧力 高强螺栓连接通常承受较大的外加载荷，为了充分发挥高
强螺栓的能力，通常给高强螺栓施加一定的预紧力。 预紧力的存在可以大大减小螺纹中的变应力。加大预紧力
4. 损伤-容限设计
损伤-容限设计准则是破损-安全设计的改进， 此法首先是假定裂纹预先存在．再用断裂力 学的分析和试验方法判断裂纹是否扩展到临 界尺寸，以致造成破坏。此准则适用于裂纹 扩展较慢并有高断裂韧性的材料。
6.5 钢结构疲劳计算方法
• 常幅疲劳计算

• 变幅疲劳计算
e
6.6.3 螺栓球节点网架的疲劳性能
作为一种工程预制、现场拼装、适用于工业化生产 的网架形式，就应用范围而言，目前已跃居首位；其 疲劳性能关键是高强螺栓的疲劳。
1999年至今，太原理工大学在国家自然科学基金 的资助下，开始对螺栓球节点网架设置悬挂吊车的变 幅疲劳性能进行了系统的理论与试验研究，已获得成 果如下：
6.3 提高改善疲劳性能的措施
• 精心选材； • 精心设计； • 精心制作； • 精心施工； • 精心使用； • 修补焊缝；方法如下：
(1)对于对接焊缝，磨去焊缝表面部分，如对接焊缝的余高。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。 (2)对于角焊缝，应打磨焊趾。焊缝的趾部时常存在咬肉(咬边)等切口（如 图），且有焊渣侵入。对于纵向角焊缝，则可打磨它的端部，使截面变化趋 于缓和，打磨后的表面不应有明显刻痕。 (3)对于角焊缝的趾部，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．同时尖锐切口也被缓减。