第八章鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂和疲勞

第八章鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂和疲勞第1頁(yè)，共15頁(yè)，2023年，2月20日，星期三③應(yīng)力腐蝕斷裂：在腐蝕性環(huán)境中承受靜力或準(zhǔn)靜力荷載作用的結(jié)構(gòu)，在遠(yuǎn)低于屈服極限的應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的斷裂破壞稱為應(yīng)力腐蝕斷裂。它是腐蝕和非過(guò)載斷裂的綜合結(jié)果。一般認(rèn)為，強(qiáng)度越高則對(duì)應(yīng)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(kuò)展導(dǎo)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(jié)構(gòu)中常見(jiàn)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(yīng)變。典型的低周疲勞破壞產(chǎn)生于強(qiáng)烈地震作用下。環(huán)境介質(zhì)導(dǎo)致或加速疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展稱為腐蝕疲勞。⑤氫脆斷裂：氫可以在冶煉和焊接過(guò)程中侵入金屬造成材料韌性降低而可能導(dǎo)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(yè)，共15頁(yè)，2023年，2月20日，星期三焊接結(jié)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生非過(guò)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(jié)構(gòu)中數(shù)值可觀的殘余應(yīng)力，作為初應(yīng)力場(chǎng)，與荷載應(yīng)力場(chǎng)的疊加可導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)開(kāi)裂的不利應(yīng)力組合。焊縫連接通常使得結(jié)構(gòu)的剛度增大，結(jié)構(gòu)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(shí)。焊縫連接使結(jié)構(gòu)形成連續(xù)整體，沒(méi)有止裂的構(gòu)造措施，則可能一裂到底。對(duì)選材在防止脆性破壞中的重要性認(rèn)識(shí)不足。

結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)要選擇高韌性的材質(zhì)來(lái)避免脆性破壞發(fā)生。但是，如果處理不當(dāng)，即便選用了高韌性材質(zhì)，結(jié)構(gòu)也可能發(fā)生脆性破壞。

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

(8-1)式中——裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子；

a——裂紋尺度；σ——裂紋尖端的應(yīng)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(gè)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(gòu)造處理中形成類似于裂紋的間隙。③注意在構(gòu)造處理上緩和應(yīng)力集中，以減小應(yīng)力值。除此之外，結(jié)構(gòu)形式也對(duì)防止脆性斷裂有一定影響。第4頁(yè)，共15頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1．鋼材選擇所選擇的鋼材應(yīng)有足夠的沖擊韌性?？刂瓢寮暮穸取Ｗ⒁獾蜏貤l件下鋼材的選擇。2．初始裂紋對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，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(shí)際上相當(dāng)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(jī)會(huì)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(yè)，共15頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3．應(yīng)力

式(8-1)的應(yīng)力是構(gòu)件中的真實(shí)應(yīng)力.它不僅和荷載大小有關(guān)，也和有無(wú)應(yīng)力集中以及約束造成的殘余應(yīng)力的影響有關(guān)。因收縮受到約束而產(chǎn)生高額殘余應(yīng)力的情況在抗脆斷設(shè)計(jì)中必須避免。4．結(jié)構(gòu)形式與構(gòu)造細(xì)節(jié)1)、結(jié)構(gòu)形式超靜定結(jié)構(gòu)：由于贅余構(gòu)件的斷裂一般不會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的失效，因此超靜定結(jié)構(gòu)對(duì)于減少斷裂的不良后果一般是有利的。當(dāng)然，要同時(shí)考慮由于地基不均勻沉陷、超靜定結(jié)構(gòu)可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重不利的內(nèi)力重分布等問(wèn)題。第6頁(yè)，共15頁(yè)，2023年，2月20日，星期三靜定結(jié)構(gòu)：靜定結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）采用多路徑傳遞荷載比單路徑傳遞荷載在防止結(jié)構(gòu)脆性斷裂上效果更好。因?yàn)槎嗦窂浇Y(jié)構(gòu)使局部破壞不至于殃及整體結(jié)構(gòu)的坍塌.2)、細(xì)部構(gòu)造構(gòu)造間隙的設(shè)置：當(dāng)焊縫長(zhǎng)度方向無(wú)垂直于間隙的拉力時(shí)，設(shè)置構(gòu)造間隙有利于阻止裂縫的發(fā)展。否則，構(gòu)造間隙的類裂紋作用十分有害。在它近旁的高度應(yīng)力集中，高額的焊接殘余應(yīng)力，以及因熱塑變形而時(shí)效硬化導(dǎo)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(jié)構(gòu)必須避免這種留有間隙的構(gòu)造設(shè)計(jì)。在板的拼接中，不宜留狹長(zhǎng)的拼接間隙，而要采用兩面剖口的對(duì)接焊縫并予以焊透，或者采用圖8-4所示的構(gòu)造方案。

第7頁(yè)，共15頁(yè)，2023年，2月20日，星期三如圖8-3是一些設(shè)置構(gòu)造間隙的典型例子.低溫地區(qū)的結(jié)構(gòu)必須避免這種留有間隙的構(gòu)造設(shè)計(jì).在板的拼接中，不宜留狹長(zhǎng)的拼接間隙，而要采用兩面剖口的對(duì)接焊縫并予以焊透，或采用圖8-4所示的構(gòu)造方案。第8頁(yè)，共15頁(yè)，2023年，2月20日，星期三止裂元件的設(shè)置：止裂元件亦是為了將裂縫的擴(kuò)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(gòu)造如圖8-5所示.圖中止裂元件與主材的對(duì)接焊縫要求采用雙面剖口型。角形連接構(gòu)造：端豎板如果存在分層缺陷，構(gòu)造不當(dāng)會(huì)引起層間撕裂。因此，宜采用圖8-6(a),(b)的角形連接構(gòu)造，而避免采用圖8-6(c)，(d)的構(gòu)造方式。第9頁(yè)，共15頁(yè)，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(yīng)變硬化：在制造安裝過(guò)程中，應(yīng)盡量避免使材料出現(xiàn)應(yīng)變硬化，要及時(shí)通過(guò)擴(kuò)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(yīng)力：注意正確選擇和制訂焊接工藝以減少不利殘余應(yīng)力，包括必要時(shí)通過(guò)熱處理方法消除重要構(gòu)件中的殘余應(yīng)力；提倡規(guī)范文明施工：不在構(gòu)件上隨意起弧和砸擊以避免構(gòu)件表面的意外損傷。正確使用：為防止脆斷，在使用過(guò)程中嚴(yán)禁在結(jié)構(gòu)上隨意加焊零部件以免導(dǎo)致機(jī)械損傷；除了嚴(yán)禁設(shè)備超載外，亦不得在結(jié)構(gòu)上隨意懸掛重物；嚴(yán)格控制設(shè)備的運(yùn)行速度以減少結(jié)構(gòu)的沖擊荷載。第10頁(yè)，共15頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的抗疲勞計(jì)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(yīng)力多次反復(fù)作用下裂紋生成、擴(kuò)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(gòu)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(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力集中程度。現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017)依據(jù)疲勞性能由高到低的排列，把常見(jiàn)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接分為8個(gè)類別(見(jiàn)表8—1)，分別給出了各個(gè)類別用于計(jì)算容許應(yīng)力幅的β和C的值(見(jiàn)表8-2)。第11頁(yè)，共15頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、應(yīng)力幅準(zhǔn)則

常幅疲勞的容許應(yīng)力幅計(jì)算公式為：式中：——對(duì)焊接部位稱為應(yīng)力幅，其值為，對(duì)非焊接部位稱為折算應(yīng)力幅，其值為——容許應(yīng)力幅（N/mm2），按構(gòu)件和連接的類別及應(yīng)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(gòu)件和連接的類別按表8-1采用第12頁(yè)，共15頁(yè)，2023年，2月20日，星期三說(shuō)明：1）承受動(dòng)力荷載重復(fù)作用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接，當(dāng)應(yīng)力變化循環(huán)次數(shù)n等于或大于5×104次時(shí)，應(yīng)進(jìn)行疲勞計(jì)算；2）在應(yīng)力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位,可不計(jì)算疲勞；3）計(jì)算疲勞時(shí)，應(yīng)采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)值；4)容許應(yīng)力幅并不隨鋼材抗拉強(qiáng)度變化而變化。因此當(dāng)疲勞計(jì)算控制設(shè)計(jì)時(shí)，高強(qiáng)鋼材往往不能充分發(fā)揮作用。變幅疲勞的驗(yàn)算：若能預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在使用壽命期間各種荷載的應(yīng)力幅以及次數(shù)分布所構(gòu)成的設(shè)計(jì)應(yīng)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(jì)算：

第13頁(yè)，共15頁(yè)，2023年，2月20日，星期三式中:——為變幅疲勞的等效應(yīng)力幅，按下式計(jì)算：為預(yù)期壽命內(nèi)應(yīng)力幅水平達(dá)到的應(yīng)力循環(huán)次數(shù).對(duì)于沒(méi)有設(shè)計(jì)應(yīng)力譜的變幅疲勞鋼結(jié)構(gòu)可作為常幅疲勞計(jì)算，計(jì)算時(shí)循環(huán)次數(shù)n應(yīng)根據(jù)構(gòu)件使用中滿負(fù)荷的程度予以折減。重級(jí)工作制吊車梁和重級(jí)、中級(jí)工作制吊車桁架（桁架式吊車梁）的疲勞可按下式計(jì)算：式中：——為所驗(yàn)算部位的應(yīng)力幅或折算應(yīng)力幅；——為欠載效應(yīng)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(yīng)力幅.(規(guī)范表6.2.3-2)

【例8-1】

第14頁(yè)，共15頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、改善結(jié)構(gòu)疲