《钢结构基本原理》第3章 钢结构的可能破坏形式

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2. 极值型失稳(第二类失稳、压溃)——失稳极限荷载或压溃荷载

没有平衡分岔现象,结构变形随荷载的增加而增加,直到结构不能承受 增加的外荷载。
如:压弯杆件的失稳。
极值型失稳

压弯杆件
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※失稳的类别※
3. 屈曲后极值型失稳——屈曲后强度

开始有平衡分岔现象,但屈曲后并不立即破坏,有较显著的屈曲后强 度,能继续承载,直到极值型失稳。
局部失稳的屈曲荷载与板件的宽厚比有关。按宽厚比分为四类:

第1类: 宽厚比最小,即使受弯形成塑性铰并发生塑性转动时,仍不 会局部失稳——塑性设计截面(特厚实截面) 第2类:受弯形成塑性铰但不发生塑性转动时,仍不会局部失稳——弹 塑性设计截面(厚实截面)


第3类:受弯并当边缘纤维达到屈服点时,板件不会局部失稳——弹性 设计截面(非厚实截面)
3.6.2 影响结构脆性断裂的因素
① 裂纹
KI a KIC
8 f ya ln sec 2f E y c
线弹性断裂力学理论 弹塑性断裂力学理论(COD)
② 应力
残余应力和应力集中
钢板厚度
③材料
应力状态 工作温度 加荷速率
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残余应力 所处的环境:在有腐蚀性介质环境中,疲劳裂纹的扩展速率会受
到不利影响
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3.4.3 疲劳强度的确定

对于焊接结构:
名义应力循环特征ρ=σmin/σmax 不能代表疲劳裂缝处的应力状态。
原因:焊缝附近存在着很大的焊接残余拉应力

实际应力状态:从受拉屈服点fy开始变动一个应力幅Δσ=σmax-σmin 焊接连接或焊接构件的疲劳强度直接与Δσ有关,而与ρ的关系不大。

受压板件的失稳是屈曲后极值失稳,板件屈曲后仍有较大的承载能力 进入屈曲后强度阶段。
D G F D E F P E C
B
O A
C
B A

3.2.2 局部与整体相关稳定

局部失稳后仍有屈曲后强度的结构和构件,虽能继续承载,但其整体失 稳时的极限承载力将受到局部失稳而降低。
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3.2.3 截面的分类问题

在应力达到屈服点时,因流幅的存在,不均匀应力将逐渐趋向均匀, 最终出现应力塑性重分布现象。 无论受弯还是受拉构件,只要钢材具有足够塑性,最终将形成塑性铰, 达到各自的极限应力状态。

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3.3.3 内力塑性重分布

受弯构件的强度破坏常以截面形成塑性铰为破坏标志。 在超静定结构中,利用结构的延性特征,常以相继出现多个塑性铰直 至形成机构作为结构承载能力的极限状态。 设计时利用了塑性性能——塑性设计。



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§ 3.5 结构的损伤累积破坏
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※结构的损伤累积破坏※


在强度很大但反复次数不多的反复荷载作用下发生,故称低周疲劳断裂。
影响构件损伤累积破坏最重要的因素:应力集中和材料性能变脆。

预防措施:
(1) 对钢材和焊缝进行无损检测,尽量防止缺陷的存在;
(2) 合理设计节点构造细节,减小三向拉应力使钢材变脆的危险性;
减少应力集中,也能提高疲劳寿命:
构造细节合理设计,尽可能减少应力集中; 严格控制施工质量,减小初始裂纹尺寸; 除去对接焊缝表面余高部分,打磨角焊缝焊趾或端部,减少应力集中 的程度。
3.4.6 出现疲劳裂缝后结构剩余寿命的估计

线弹性断裂力学理论分析:
N

da 1 a2 A1 a1 a
如:薄壁构件中的受压翼缘板、腹板。
屈曲后极值型失稳

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※失稳的类别※
4. 有限干扰型失稳(不稳定分岔屈曲)

与屈曲后极限型失稳相反,结构屈曲后承载力迅速下降,若结构有初始 缺陷时将不会出现屈曲现象而直接进入承载力较低的极值型失稳。
如:承受轴向荷载圆柱壳的失稳。
有限干扰型失稳

均匀受压圆柱壳
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讲:蔡 勇
中南大学土木建筑学院建筑工程系
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第 3 章 钢结构的可能破坏模式
主要内容:
结构的整体失稳破坏 结构的局部失稳、截面的分类 结构的塑性破坏、内力塑性重分布 结构的疲劳破坏、损伤累积破坏和脆性断裂破坏
重点:
结构的整体失稳、局部失稳 结构的塑性破坏、内力重分布
结构的疲劳破坏
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第 3 章 钢结构的可能破坏模式
§3.1 结构的整体失稳破坏
§3.2 结构和构件的局部失稳、截面分类
§3.3 结构的塑性破坏、应(内)力重分布 §3.4 结构的疲劳破坏 §3.5 结构的损伤累积破坏 §3.6 结构的脆性断裂破坏
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§ 3.1 结构的整体失稳破坏
3.1.1 关于稳定的概念 3.1.2 失稳的类别
(3) 构件和节点构造尽量减少应力集中; (4) 限制S、P等有害杂质含量,防止钢材低温变脆; (5) 防止形成“人工裂缝”。
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§ 3.6 结构的脆性断裂破坏
3.6.1 结构脆性断裂 3.6.2 影响结构脆性断裂的因素
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3.6.1 结构脆性断裂


断裂破坏前无任何征兆,不出现异样和明显变形,无早期裂缝; 断裂破坏时,荷载很小,甚至无荷载作用。

框架和拱:
弯曲失稳(框架或拱平面内) 弯扭失稳(框架或拱作用平面外)
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§ 3.2 结构和构件的局部失稳、截面分类
3.2.1 局部失稳的概念 3.2.2 局部与整体相关稳定 3.2.3 截面的分类问题
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3.2.1 局部失稳的概念

在保持整体稳定的条件下,结构中的局部构件或构件中的板件已不能 承受外荷载而失去稳定。

仍能回复到初始平衡位置 ——稳定的 不能回复到初始平衡位置,且偏离越来越远——不稳定的 不能回复到初始平衡位置,但停留在新的平衡位置——临界状态 (随遇平衡)

强度问题是应力问题; 稳定问题是要找出作用与结构内部抵抗力之间的不稳定平衡状态,即变 形开始急剧增长的状态,属于变形问题。
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3.1.2 失稳的类别
1. 欧拉屈曲(第一类失稳、分枝型失稳)——屈曲荷载或欧拉临界荷载

在临界状态前,结构保持初始平衡位置,在达到临界状态(屈曲)时,结 构从初始的平衡位置过渡到无限临近的新平衡位置,平衡状态出现分岔。
如:理想的轴压直杆的屈曲。
分枝型失稳

原始平衡
临界平衡
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※失稳的类别※
首先拉应力 达到屈服点 其次,构件进入塑性 变形,明显伸长 随后材料进入 强化阶段 最后,达到抗拉 强度后,构件拉断



受弯构件破坏过程:
首先受拉边缘 应力达到屈服点 其次,构件进入弹塑性 受力阶段,形成塑性铰 随后发生塑性转动,内力 重分布,相继出现塑性铰 最后,形成机 构而倒塌破坏

结构强度破坏时会出现明显得变形,因此又称为塑性破坏(延性破坏)。 纯粹的强度破坏很少。因破坏过程中的明显变形将引发其它类型的破 坏发生。
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3.3.2 应力塑性重分布

残余应力:
钢结构在轧制、冷加工和焊接制作过程中都会在构件截面产生应力, 一般是自相平衡的内力。但有时数值很大,甚至达到屈服点。

应力集中:
在开孔或截面改变处出现,其最大应力比不考虑应力集中时的数值大 得多,甚至达到几倍。
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※应力塑性重分布※

在静态荷载和塑性破坏情况下,残余应力和应力集中现象不会影响构 件的强度。但对构件的失稳破坏、脆性断裂和疲劳破坏都有明显影响。 应采取措施减少残余应力和应力集中现象。


如能保证结构只发生强度延性破坏,即可用塑性设计对结构进行设 计,并能达到明显得经济效益。
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§ 3.4 结构的疲劳破坏
3.4.1 疲劳破坏现象 3.4.2 影响疲劳破坏的因素 3.4.3 疲劳强度的确定 3.4.4 几种情况的处理
3.4.5 提高疲劳强度和疲劳寿命的措施
3.4.6 出现疲劳裂缝后结构剩余寿命的估计
max min
焊接部位:α=1.0;非焊接部位:α=0.7
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3.4.4 几种情况的处理

非常幅应力循环情况:
ni i 线性累积损伤准则(Miner准则): e ni
1
其中
ni 1 Ni
3.4.5 提高疲劳强度和疲劳寿命的措施
※失稳的类别※
5. 跳跃型失稳

结构由初始平衡位置突然跳到另一个平衡位置,在跳跃过程中出现很 大的位移。 如:承受横向均布压力的球形扁壳。
跳跃型失稳 均 布 荷 载 作 用 下 的 坦 拱

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3.1.3 结构稳定分析的原则
(1)几何非线性的影响:

①位移和转角均较小,但考虑结构变形对外力效应的影响—二阶分析, 如钢构件、框架及钢拱的整体稳定分析; ②转角较小但考虑大位移,钢框架同时考虑构件和结构的整体稳定分 析; ③大位移大转角的非线性分析,如网壳结构的稳定、板件的屈曲后强 度分析。
3.1.3 结构稳定分析的原则
3.1.4 钢构件的整体稳定
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3.1.1 关于稳定的概念
结构整体失稳破坏:

作用在结构上的外荷载尚未达到按强度计算得到的结构破 坏荷载时,结构已不能承担并产生较大的变形,整个结构 偏离原来的平衡位置而倒塌。
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3.1.1 关于稳定的概念
稳定性的定义: 结构在荷载作用下处于平衡位置,微小外界扰动使其偏离平衡位置, 若外界扰动除去后:

提高疲劳强度——在疲劳破坏循环次数给定情况下,提高应力幅的值 提高疲劳寿命——在应力幅的值给定情况下,提高疲劳破坏循环次数


Δσ给定时,提高疲劳寿命的方法:
减少初始缺陷: a1→a0,增加ΔN1次 延迟瞬间断裂到C点: B→C,增加ΔN2次
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※提高疲劳强度和疲劳寿命的措施※



Δσ是控制疲劳破坏循环次数最主要的应力变量。
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※疲劳强度的确定※

对于焊接结构和常幅应力循环 情况:
c N
1
c N
1
3.4.4 几种情况的处理


非焊接结构:
残余应力的影响:ρ≥0时,影响不大; ρ<0时,影响明显。

调整的应力幅准则:
第4类:受弯时局部失稳,应利用屈曲后强度进行设计——超屈曲设计 截面(纤细截面或薄柔截面)

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§ 3.3 结构的塑性破坏、应(内)力重分布
3.3.1 结构的塑性破坏
3.3.2 应力塑性重分布
3.3.3 内力塑性重分布
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3.3.1 结构的塑性破坏

在不发生整体失稳和局部失稳的条件下,内力随荷载的增加而增加, 当截面内力达到截面的承载力并使结构形成机构时,结构就丧失承载 力而破坏,称为结构的强度破坏。 在杆系结构中,结构的强度破坏都由受拉或受弯构件的强度破坏所引 起,受压构件一般发生失稳破坏。 受拉构件破坏过程:
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3.4.1 疲劳破坏现象

钢结构和钢构件的疲劳破坏不同于钢材的疲劳破坏。 钢结构或构件的初始缺陷成为疲劳破坏裂纹的起源,其破坏阶段分为 裂纹的扩展和最后断裂两个阶段。
3.4.2 影响疲劳破坏的因素


应力集中——主要因素 内在缺陷
非焊接结构:表面缺陷,轧制、切割、冷加工等过程产生的微裂纹 以及螺栓孔等 焊 接 结 构: 焊缝的外形及其缺陷,如气孔、咬边、夹渣、焊接裂 纹、起弧和灭弧处的不平整等


(2) 材料非线性的影响:
弹性 → 弹塑性 → 稳定的双非线性分析
(3) 结构和构件的初始缺陷:
包括构件的初弯曲、初偏心、几何偏心以及残余应力等。
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3.1.4 钢构件的整体稳定

轴压构件:
弯曲失稳、扭转失稳、弯扭失稳

受弯构件:
弯扭失稳

压弯构件:
截面单轴对称——弯曲失稳(弯矩作用平面内) 弯扭失稳(弯矩作用平面外) 截面双轴对称——弯扭失稳(弯矩作用平面内、外)
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