钢结构 上册 钢 结 构 基 础 （钢结构基本原理） 辅导材料 陈绍蕃 2014年4月

第8章 钢结构的脆性断裂和疲劳 8.1 脆性断裂及其防止 钢构件脆性断裂有多种类别，本章论述其中两种：非过载断裂和疲劳断裂。 第8章 钢结构的脆性断裂和疲劳 8.1 脆性断裂及其防止 钢构件脆性断裂有多种类别，本章论述其中两种：非过载断裂和疲劳断裂。 　　　非过载断裂在焊接结构中出现，比在铆接和栓接结构中多，主要原因有： 　　　　　焊缝缺陷的存在； 　　　　　高额焊接残余拉应力； 　　　　　焊缝连接有时使塑性变形难于发展； 　　　　　焊接结构形成连续整体，一旦开裂会一裂到底； 　　 非过载脆性断裂大多发生在低温环境中。

8.1 脆性断裂及其防止 脆性断裂的防止 防止脆性断裂，以断裂力学的下列公式为参照。公式的特点是以存在内部缺陷（裂纹）的材料为对象： 8.1 脆性断裂及其防止 脆性断裂的防止 防止脆性断裂，以断裂力学的下列公式为参照。公式的特点是以存在内部缺陷（裂纹）的材料为对象： （ 8.1） 式中： K1---裂纹尖端的应力强度因子； a---裂纹尺寸； σ---裂纹尖端的应力； K1c--材料的断裂韧性，以MPam1/2计。 为了满足式（8.1），需要从三方面着手：选用断裂韧性较高的钢材；尽量减小初始裂纹的尺寸；在构造处理上注意缓和应力集中。

8.1 脆性断裂及其防止 选用韧性适当的钢材 土建结构用钢材是弹塑性材料，很难对其断裂韧性进行测定。但公式（8.1）仍然具有很大参考价值。在实际工作中用冲击韧性的指标代替断裂韧性。 不论材料厚度有多大，冲击韧性的试件都取为10mm×10mm×55mm,因而不能显示厚板韧性低于薄板的现实。有鉴于此，寒冷地区的结构厚度大于40mm的钢材，质量等级应提高一级。 减小初始裂纹尺寸 初始裂纹来源于焊接缺陷。 焊缝的咬边、焊瘤、气孔和未焊透都起类似于裂纹的作用。 除了保证焊接质量外，还要注意在构造设计中避免类似裂纹的间隙。

8.1 脆性断裂及其防止 应力 公式(8-1)中的σ指构件中的真实应力，和构造形成的应力集中有关。因此，设计时应该尽量避免应力高度集中的构造细部。 另一方面，还要注意应力状态。双轴拉伸和三轴拉伸都使材料在不同程度上变脆，应该避免。 避免构造间隙 构造间隙是人为的裂纹，是脆性断裂的发源地。本书的图8-2的三个事例十分清楚。 多路径传递 以上阐述的是如何防止脆断，这里说的是减小脆断的危害程度。多根并列的简支梁分担既定的荷载，比只用一、两根梁有利。多根梁中的一根失效后，其他各根还能承担较大的荷载，不致彻底垮掉。

8.1 脆性断裂及其防止 防止层间撕裂 厚板内部有时存在分层缺陷。 厚度方向的拉力有可能造成层间撕裂，但在工程中并不多见。 8.1 脆性断裂及其防止 防止层间撕裂 厚板内部有时存在分层缺陷。 厚度方向的拉力有可能造成层间撕裂，但在工程中并不多见。 焊缝收缩反而是工程中遇到过的层间撕裂的起因。 收缩引起撕裂 避免撕裂的构造方案

8.2 抗疲劳设计 常幅疲劳的计算 采用容许应力法，荷载取标准值。 容许应力幅： 式中n是应力循环次数； C和β都是和构件及连接相关的参数。 8.2 抗疲劳设计 常幅疲劳的计算 采用容许应力法，荷载取标准值。 容许应力幅： 式中n是应力循环次数； C和β都是和构件及连接相关的参数。 03规范把构件及连接分为8类。更细致的方法则是分为14类。 参数β比较简单，除1、2类取4外，其他类别都取3，而且1、2类用于无连接或应力集中很弱的连接处的母材。 参数C反映应力集中的影响，它首先和构造细部有密切关连。但同时也和施工方案和施工质量有关。

8.2 抗疲劳设计 构件和连接类别的分析 类别 适用构件或连接举例 C/1012 （N/mm2） Z1 轧制型钢 1920 174 Z4 8.2 抗疲劳设计 构件和连接类别的分析 类别 适用构件或连接举例 C/1012 （N/mm2） Z1 轧制型钢 1920 174 Z4 横向对接焊缝附近的母材， 符合一级焊缝质量者 2.81 112 Z8 带垫板的横向对接焊缝附近的母材，垫板宽出母板20mm 0.72 71 Z11 带垫板的横向对接焊缝附近的母材，垫板宽出母板不足20mm 0.25 50 Z1类没有应力集中，C值很大。对应于二百万次疲劳寿命的容许应力幅为176N/mm2。由于疲劳计算的荷载取标准值，用Q235钢的结构无需计算。有横向对接焊缝的构件，当符合一级焊缝质量者归属Z4级，容许应力幅为112N/mm2。如果不仅符合一级焊缝质量，并且经加工磨平，使应力集中基本消失，则可以提高到Z2级。反之，如果横向对接焊缝带有垫板，则应力集中更严重，将下降到Z8级，甚至Z11级。相应容许应力幅分别为71和50N/mm2。

8.2 抗疲劳设计 变幅疲劳的计算 变幅疲劳的特点是有许多次应力幅都达不到最大值 ，亦即存在欠载现象。 8.2 抗疲劳设计 变幅疲劳的计算 　大部分结构的疲劳应力都是变幅度的（如吊车梁）。 变幅疲劳的特点是有许多次应力幅都达不到最大值 ，亦即存在欠载现象。 计算变幅疲劳的实用方法是通过等效应力幅把问题转化为常幅疲劳问题，等效应力幅由下式计算： (8-11) 此式来源于Miner规则，即线性累积损伤准则： 　结构承受多个不同的应力幅 ，i=1,2,3,……m。任一 的循环次数为ni，对应于 的常幅疲劳寿命为Ni，则ni/Ni为 造成的损伤率。 　由真实的随机应力谱确定 和ni，需要简便的计数法：水库计数法和雨流计数法。

8.2 抗疲劳设计 对于常幅疲劳， 出现在n=5×106处。 8.2 抗疲劳设计 疲劳极限 　 当应力幅不超过某一数值 时，不论应力循环多少次都不会出现疲劳损伤，称 为疲劳极限。 对于常幅疲劳， 出现在n=5×106处。 变幅疲劳的疲劳极限低于常幅疲劳，以 代表。低的原因是：变幅疲劳中有一部分应力幅高于等效应力幅，并造成比 更大的损伤。 起始于n=108处， 在该点和n=5×106点之间有斜率为 的过渡段。当总循环次数超过5×106时，变幅疲劳计算需要采用更复杂的计算公式。

8.2 抗疲劳设计 （1）有横向角焊缝的连接和对接焊缝连接的板，当板厚大于25mm时， 其容许应力幅应乘以折减系数 8.2 抗疲劳设计 疲劳计算的其他问题 （1）有横向角焊缝的连接和对接焊缝连接的板，当板厚大于25mm时， 其容许应力幅应乘以折减系数 （2）非焊接结构的应力幅由下式计算 （3）在循环荷载作用下承受剪应力的部位，按下式进行疲劳计算 用于角焊缝时， 。

8.2 抗疲劳设计 （1）选用疲劳性能好的构造方案，也就是应力集中程度低的方案。 例如：板与板拼接时采用对接焊缝，而不是拼接板加角焊缝； 8.2 抗疲劳设计 改善结构疲劳性能的措施 （1）选用疲劳性能好的构造方案，也就是应力集中程度低的方案。 例如：板与板拼接时采用对接焊缝，而不是拼接板加角焊缝； 　　　 构件上焊节点板时，采用有圆弧过渡的板，而不是矩形板。 （2）构造产生的应力不均匀，不仅产生于截面的突然变化，还会产生于 板件变形。梁柱节点连接就是一例：不设加劲肋时梁翼缘焊缝应力不均匀。 （3）避免相互垂直的焊缝交汇于一点：梁加劲肋下端的构造处理。（4）应力集中的构造不可避免时，把它放在低应力区。 （5）除了构造形式外，还应注意保证施工质量。