第八章鋼結構的脆性斷裂和疲勞

第八章鋼結構的脆性斷裂和疲勞第1頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三③應力腐蝕斷裂：在腐蝕性環(huán)境中承受靜力或準靜力荷載作用的結構，在遠低于屈服極限的應力狀態(tài)下發(fā)生的斷裂破壞稱為應力腐蝕斷裂。它是腐蝕和非過載斷裂的綜合結果。一般認為，強度越高則對應力腐蝕斷裂越敏感。④疲勞斷裂與腐蝕疲勞斷裂：在交變荷載作用下，裂紋的失穩(wěn)擴展導致的斷裂破壞稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂有高周和低周之分。循環(huán)周數(shù)在105以上者稱為高周疲勞，屬于鋼結構中常見的情況。低周疲勞斷裂前的周數(shù)只有幾百或幾十次，每次都有較大的非彈性應變。典型的低周疲勞破壞產(chǎn)生于強烈地震作用下。環(huán)境介質(zhì)導致或加速疲勞裂紋的萌生和擴展稱為腐蝕疲勞。⑤氫脆斷裂：氫可以在冶煉和焊接過程中侵入金屬造成材料韌性降低而可能導致的斷裂。焊條在使用前需要烘干，就是為了防止氫脆斷裂。第2頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三焊接結構經(jīng)常發(fā)生非過載脆性破壞的原因：焊縫缺陷的存在，使裂紋萌生的概率增大。焊接結構中數(shù)值可觀的殘余應力，作為初應力場，與荷載應力場的疊加可導致驅動開裂的不利應力組合。焊縫連接通常使得結構的剛度增大，結構的變形，包括塑性變形的發(fā)展受到更大的限制。尤其是三條焊縫在空間相互垂直時。焊縫連接使結構形成連續(xù)整體，沒有止裂的構造措施，則可能一裂到底。對選材在防止脆性破壞中的重要性認識不足。

結構的脆性破壞經(jīng)常在氣溫較低的情況下發(fā)生。處在低溫的結構要選擇高韌性的材質(zhì)來避免脆性破壞發(fā)生。但是，如果處理不當，即便選用了高韌性材質(zhì)，結構也可能發(fā)生脆性破壞。

第3頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三二、脆性斷裂的防止按照斷裂力學的理論，在彈性范圍內(nèi)，構件不致出現(xiàn)非過載脆性斷裂的條件是：

(8-1)式中——裂紋尖端的應力強度因子；

a——裂紋尺度；σ——裂紋尖端的應力； ——表征斷裂性能的材料常數(shù)，稱斷裂韌性。為了防止脆性斷裂，需要從三個方面著手：①正確選用鋼材，使之具有足夠的韌性。②盡量減小初始裂紋的尺寸，避免在構造處理中形成類似于裂紋的間隙。③注意在構造處理上緩和應力集中，以減小應力值。除此之外，結構形式也對防止脆性斷裂有一定影響。第4頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三1．鋼材選擇所選擇的鋼材應有足夠的沖擊韌性。控制板件的厚度。注意低溫條件下鋼材的選擇。2．初始裂紋對于焊接結構來說，減小初始裂紋尺寸主要是保證焊縫質(zhì)量，限制和避免焊接缺陷。焊縫表面不得有裂紋。焊縫的咬邊實際上相當于表面裂紋。由于工地施焊條件不如工廠，安裝焊縫出現(xiàn)缺陷的機會比工廠焊縫多，GB50017規(guī)范規(guī)定，在工作溫度等于或低于-20℃的地區(qū)，安裝宜采用螺栓連接。第5頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三3．應力

式(8-1)的應力是構件中的真實應力.它不僅和荷載大小有關，也和有無應力集中以及約束造成的殘余應力的影響有關。因收縮受到約束而產(chǎn)生高額殘余應力的情況在抗脆斷設計中必須避免。4．結構形式與構造細節(jié)1)、結構形式超靜定結構：由于贅余構件的斷裂一般不會導致整體結構的失效，因此超靜定結構對于減少斷裂的不良后果一般是有利的。當然，要同時考慮由于地基不均勻沉陷、超靜定結構可能會導致嚴重不利的內(nèi)力重分布等問題。第6頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三靜定結構：靜定結構（構件）采用多路徑傳遞荷載比單路徑傳遞荷載在防止結構脆性斷裂上效果更好。因為多路徑結構使局部破壞不至于殃及整體結構的坍塌.2)、細部構造構造間隙的設置：當焊縫長度方向無垂直于間隙的拉力時，設置構造間隙有利于阻止裂縫的發(fā)展。否則，構造間隙的類裂紋作用十分有害。在它近旁的高度應力集中，高額的焊接殘余應力，以及因熱塑變形而時效硬化導致的基體金屬的脆性提高，經(jīng)常扮演誘發(fā)裂紋的角色。低溫地區(qū)的結構必須避免這種留有間隙的構造設計。在板的拼接中，不宜留狹長的拼接間隙，而要采用兩面剖口的對接焊縫并予以焊透，或者采用圖8-4所示的構造方案。

第7頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三如圖8-3是一些設置構造間隙的典型例子.低溫地區(qū)的結構必須避免這種留有間隙的構造設計.在板的拼接中，不宜留狹長的拼接間隙，而要采用兩面剖口的對接焊縫并予以焊透，或采用圖8-4所示的構造方案。第8頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三止裂元件的設置：止裂元件亦是為了將裂縫的擴展限制于局部，以免一裂到底，禍及整體。用高韌性材料做成的板內(nèi)止裂元件和板外止裂元件，其構造如圖8-5所示.圖中止裂元件與主材的對接焊縫要求采用雙面剖口型。角形連接構造：端豎板如果存在分層缺陷，構造不當會引起層間撕裂。因此，宜采用圖8-6(a),(b)的角形連接構造，而避免采用圖8-6(c)，(d)的構造方式。第9頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三5．其他措施盡量避免使材料出現(xiàn)應變硬化：在制造安裝過程中，應盡量避免使材料出現(xiàn)應變硬化，要及時通過擴鉆和刨邊消除因沖孔和裁剪而造成的局部硬化區(qū)；減少不利殘余應力：注意正確選擇和制訂焊接工藝以減少不利殘余應力，包括必要時通過熱處理方法消除重要構件中的殘余應力；提倡規(guī)范文明施工：不在構件上隨意起弧和砸擊以避免構件表面的意外損傷。正確使用：為防止脆斷，在使用過程中嚴禁在結構上隨意加焊零部件以免導致機械損傷；除了嚴禁設備超載外，亦不得在結構上隨意懸掛重物；嚴格控制設備的運行速度以減少結構的沖擊荷載。第10頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)鋼結構的抗疲勞計算一、疲勞破壞定義及影響疲勞壽命的因素定義：鋼材在循環(huán)應力多次反復作用下裂紋生成、擴展以致斷裂破壞的現(xiàn)象稱為鋼材的疲勞或疲勞破壞。影響疲勞壽命的因素：影響構件疲勞破損的因素既有作為外因的疲勞荷載，又有作為內(nèi)因的斷裂韌性，還有描寫缺陷處應力狀態(tài)的應力集中程度?，F(xiàn)行《鋼結構設計規(guī)范》(GB50017)依據(jù)疲勞性能由高到低的排列，把常見的鋼結構構件和連接分為8個類別(見表8—1)，分別給出了各個類別用于計算容許應力幅的β和C的值(見表8-2)。第11頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三二、應力幅準則

常幅疲勞的容許應力幅計算公式為：式中：——對焊接部位稱為應力幅，其值為，對非焊接部位稱為折算應力幅，其值為——容許應力幅（N/mm2），按構件和連接的類別及應力循環(huán)次數(shù)n由下式確定：式中參數(shù)C和β根據(jù)構件和連接的類別按表8-1采用第12頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三說明：1）承受動力荷載重復作用的鋼結構構件及其連接，當應力變化循環(huán)次數(shù)n等于或大于5×104次時，應進行疲勞計算；2）在應力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應力的部位,可不計算疲勞；3）計算疲勞時，應采用荷載的標準值；4)容許應力幅并不隨鋼材抗拉強度變化而變化。因此當疲勞計算控制設計時，高強鋼材往往不能充分發(fā)揮作用。變幅疲勞的驗算：若能預測結構在使用壽命期間各種荷載的應力幅以及次數(shù)分布所構成的設計應力譜，則根據(jù)累積損傷原理可將變幅疲勞折合為等效常幅疲勞，按下式計算：

第13頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三式中:——為變幅疲勞的等效應力幅，按下式計算：為預期壽命內(nèi)應力幅水平達到的應力循環(huán)次數(shù).對于沒有設計應力譜的變幅疲勞鋼結構可作為常幅疲勞計算，計算時循環(huán)次數(shù)n應根據(jù)構件使用中滿負荷的程度予以折減。重級工作制吊車梁和重級、中級工作制吊車桁架（桁架式吊車梁）的疲勞可按下式計算：式中：——為所驗算部位的應力幅或折算應力幅；——為欠載效應的等效系數(shù);(規(guī)范表6.2.3-1)——為循環(huán)次數(shù)次的容許應力幅.(規(guī)范表6.2.3-2)

【例8-1】

第14頁，共15頁，2023年，2月20日，星期三三、改善結構疲