第八章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
二、脆性断裂的防止 按照断裂力学的理论，在弹性范围内，构件不致出 现非 过载脆性断裂的条件是： K a K (8-1) 式中 K I ——裂纹尖端的应力强度因子； a——裂纹尺度； σ——裂纹尖端的应力； K ——表征断裂性能的材料常数，称断裂韧性。 为了防止脆性断裂，需要从三个方面着手：①正确选 用钢材，使之具有足够的韧性。②尽量减小初始裂纹的 尺寸，避免在构造处理中形成类似于裂纹的间隙。③注 意在构造处理上缓和应力集中，以减小应力值。除此之 外，结构形式也对防止脆性断裂有一定影响。
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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。
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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 的板内止裂元件和板外止裂元件，其构造如图8-5所示. 图中止裂元件与主材的对接焊缝要求采用双面剖口型。
max
min
max
min
C n
1

式中参数C和β 根据构件和连接的类别按表8-1采用
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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 疲劳计算； 2）在应力循环中不出现拉应力的部位,可不计算疲劳； 3）计算疲劳时，应采用荷载的标准值； 4) 容许应力幅并不随钢材抗拉强度变化而变化。因此 当疲劳计算控制设计时，高强钢材往往不能充分发挥 作用。 变幅疲劳的验算：若能预测结构在使用寿命期间各 种荷载的应力幅以及次数分布所构成的设计应力谱，则 根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合为等效常幅疲劳， 按下式计算： e
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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 0.7 ——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：
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式中: ——为变幅疲劳的等效应力幅，按下式计算：
e
e [ ni ( i ) / ni ]1 /
i 1 i 1
M

M
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： f 210 式中： ——为所验算部位的应力幅或折算应力幅； ——为欠载效应的等效系数;(规范表6.2.3-1) ——为循环次数 n 2 10 次的容许应力幅.(规范表 6.2.3-2) 【例8-1】
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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 发生的断裂破坏称为应力腐蚀断裂。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。 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105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。典型的低周疲劳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。焊条在使用前 需要烘干，就是为了防止氢脆断裂。
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焊接结构经常发生非过载脆性破坏的原因： 焊缝缺陷的存在，使裂纹萌生的概率增大。 焊接结构中数值可观的残余应力，作为初应力场，与 荷载应力场的叠加可导致驱动开裂的不利应力组合。 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。 但是，如果处理不当，即便选用了高韧性材质，结构也 可能发生脆性破坏。
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第二节钢结构的抗疲劳计算 一、疲劳破坏定义及影响疲劳寿命的因素 定义：钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成、扩展 以致断裂破坏的现象称为钢材的疲劳或疲劳破坏。 影响疲劳寿命的因素：影响构件疲劳破损的因素既有作 为外因的疲劳荷载，又有作为内因的断裂韧性，还有描 写缺陷处应力状态的应力集中程度。现行《钢结构设计 规范》(GB50017)依据疲劳性能由高到低的排列，把常 见的钢结构构件和连接分为8个类别(见表8—1)，分别 给出了各个类别用于计算容许应力幅的β 和C的值(见 表8-2)。
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ni为预期寿命内应力幅水平达到
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三、改善结构疲劳性能的措施 改善结构疲劳性能应当从影响疲劳寿命的主要因素 入手： 正确选材： 采用高韧性材料 采用合理的构造细节： 减小应力集中程度，从而使结构的尺寸由静力(强 度，稳定)计算而不是由疲劳计算来控制； 严格控制施工质量： 采用一些有效的工艺措施，减少初始裂纹的数量和 尺寸。
角形连接构造：端竖 板如果存在分层缺 陷，构造不当会引起 层间撕裂。因此，宜 采用图8-6(a),(b)的 角形连接构造，而避 免采用图8-6(c)，(d) 的构造方式。
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5．其他措施 尽量避免使材料出现应变硬化：在制造安装过程中，应 尽量避免使材料出现应变硬化，要及时通过扩钻和刨边 消除因冲孔和裁剪而造成的局部硬化区； 减少不利残余应力：注意正确选择和制订焊接工艺以减 少不利残余应力，包括必要时通过热处理方法消除重要 构件中的残余应力； 提倡规范文明施工：不在构件上随意起弧和砸击以避免 构件表面的意外损伤。 正确使用：为防止脆断，在使用过程中严禁在结构上随 意加焊零部件以免导致机械损伤；除了严禁设备超载 外，亦不得在结构上随意悬挂重物；严格控制设备的运 行速度以减少结构的冲击荷载。
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静定结构：静定结构（构件）采用多路径传递荷载比 单路径传递荷载在防止结构脆性断裂上效果更好。因 为多路径结构使局部破坏不至于殃及整体结构的坍塌. 2)、细部构造 构造间隙的设置：当焊缝长度方向无垂直于间隙的拉 力时，设置构造间隙有利于阻止裂缝的发展。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。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，或者采用 图8-4所示的构造方案。
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1．钢材选择 所选择的钢材应有足够的冲击韧性。 控制板件的厚度。 注意低温条件下钢材的选择。 2．初始裂纹 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。焊缝的咬边实际上相当于表面裂纹。 由于工地施焊条件不如工厂，安装焊缝出现缺陷的 机会比工厂焊缝多，GB50017规范规定，在工作温度 等于或低于-20℃的地区，安装宜采用螺栓连接。
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3．应力 式(8-1)的应力是构件中的真实应力.它不仅和荷载大 小有关，也和有无应力集中以及约束造成的残余应力的 影响有关。因收缩受到约束而产生高额残余应力的情况 在抗脆断设计中必须避免。 4．结构形式与构造细节 1)、结构形式 超静定结构：由于赘余构件的断裂一般不会导致整体结 构的失效，因此超静定结构对于减少断裂的不良后果一 般是有利的。当然，要同时考虑由于地基不均匀沉陷、 超静定结构可能会导致严重不利的内力重分布等问题。