高等钢结构--疲劳与断裂

《高等钢结构原理》断裂与疲劳部分

学生作业

系（所）：建筑工程系

学号：1432055

姓名：焦联洪

培养层次：专业硕士

2014年11月6日

1、防止焊接钢结构脆性断裂的基本措施

影响钢材脆断的直接因素有裂纹尺寸、作用应力和材料韧性。提高钢材脆性断裂的基本措施有：

①保证施工质量、加强质量检验和施焊工艺管理，避免施焊过程中产生的咬边、裂纹、夹杂和气泡等。

②焊缝不宜过分集中，施焊时不宜过强约束，避免产生过大残余应力，同时应注意焊缝过于集中和避免截面突然变化。特别是低温下作用的静力荷载发生的脆断，常与残余应力有关。

③进行合理细部构件设计，避免应力集中。应力集中处会产生同号应力场，使钢材变脆。尽量避免采用厚钢板，厚钢板比薄钢板较易脆断，对钢材的韧性也有降低。

④选择合理的钢材，钢材化学成分与钢材抗脆断能力有关，含碳量高的钢材，抗脆断能力有所下降，同时控制钢材中硫和磷的含量，硫使钢材热断，磷使钢材冷断，对于在低温下作用的钢结构，应选择抗低温冲击韧性好的材料。

⑤加载速率越高，钢材的脆断转变温度提高，对于同一韧性的材料，设计动力荷载时允许最低的使用温度比静力荷载高的多，所以根据钢材不同的工作加载速率应选择不同韧性的钢材。

⑥设计结构时选择优良的结构形式，有助于减少断裂的不良后果。

2、解释应力幅是评价焊接钢结构疲劳强度的一个指标

对于非焊接结构，通常用应力循环特征（应力比）min max /σσρ=来评价钢结构的疲劳强度。但是对于焊接钢结构疲劳强度起控制作用的是应力幅σ?，而几乎与最大应力max σ、最小应力min σ及应力比这些参量无关。这是因为：焊接及

其随后的冷却，构成不均匀热循环过程，使焊接结构内部产生自相平衡的残余应力，在焊接附近出现局部的残余拉应力高峰，横截面其余部分则形成残余压应力与之平衡。焊接残余拉应力最高峰值往往可达到钢材的屈服强度，名义上的应力循环特征（应力比）min max /σσρ=并不代表疲劳裂缝出现的应力状态。并且焊接连接部位因为截面的改变原状，总会产生不同程度的应力集中现象。残余应力和应力集中两个因素的同时存在，使疲劳裂纹发生于焊接熔合线的表面缺陷处或焊

缝内部缺陷处，然后沿垂直于外力作用方向扩展，直到最后的断裂。产生裂纹部位的实际应力状态与名义应力有很大差别，在裂纹形成过程中，循环内应力的变化内应力的变化是以高达钢材屈服强度y f 的最大内应力为起点，往下波动应力幅min max σσ-与该处应力集中系数的乘积。在裂纹扩展阶段，裂纹扩展速率主要受控于该处的应力幅值。从美国完成的焊接梁疲劳试验的结果中也可得出：在相同最大名义应力max σ下采用三种相差悬殊的名义最小应力min σ，应力幅和破坏循

环次数之间的关系都落在同一条直线附近。不同钢材号的试件试验结果也落在同一直线附近。

3、可采取哪些措施来改善焊接钢结构疲劳性能

①加强钢结构构件的构造细节设计。特别是构件本身的拼接和连接容易造成严重的应力集中，使构件疲劳性能变差。

②保证焊缝的施工质量，尽量避免因咬边、裂纹、夹杂和气泡等初始缺陷对疲劳性能的影响，同时提高对焊缝质量的的检验标准，对重要结构可采用一级标准。

③磨去焊缝的表面部分：如磨平对接焊缝的冗高，对角焊缝打磨焊趾，除去焊渣，但打磨后表面不应存在明显的刻痕。

④对于角焊缝的趾部用气体保护钨弧使重新熔化，可以原有的切口、裂缝、以及浸入的焊渣都可以消除，使疲劳性能得到改善。

⑤施加一个与焊接变形相反的预变形、采取适当的焊接次序、采用对称焊缝、焊前预热等措施，减少或消除焊缝残余应力，改善钢材疲劳性能。

⑥通过工艺措施，有意识地在焊缝和近旁金属的表层形成压缩残余应力，可采用锤击敲打和喷射金属丸粒。被处理的金属表层在冲击性的敲打作用下趋于侧向扩张，但被周围的材料所约束，从而产生残余压应力。同时，敲击造成的冷加工硬化也使疲劳强度提高。

4、基于热点应力的疲劳设计方法的特点

热点是疲劳裂纹的起源部位，具有优良焊接质量的焊接结构的热点一般位于焊趾出。热点应力是结构或几何应力在焊趾表面部位达到最大值，是结构中危险截面上危险点。因其是最容易发生疲劳破坏的部分，焊接结构中常取焊趾为热点。

热点应力中定义了结构最大的几何应力，同时计入了节点几何形状和荷载的影响， 但不计入施工形成的焊缝几何形状（平、凸、凹）和焊趾局部状况（焊趾半径、咬边等）的影响。

在焊接板或壳结构中，热点一般有三种类型，第一种焊趾位于附板的根部，母板的表面；第二种型焊趾位于附板的端面边缘处；第三种型焊趾沿着附板及母板的焊缝方向。热点应力法用来评估节点焊趾处疲劳开裂，不采用名义应力，而采用连接节点处的热点应力（即几何应力）作为疲劳验算的应力指标。

优点：各种不同构造型式的焊接节点依据热点应力幅，都可应用相同的S －N 曲线，因而可以大大减少接头疲劳强度划分等级。尤其是对大型复杂的焊接结构，采用热点分析进行疲劳评定，简化了接头形式。(S －N 曲线仅适用圆管、方管节点；适用各种节点型式；钢管壁厚越大，疲劳强度越小）。已成为当前钢管节点疲劳最精确、可靠的设计方法。

缺点：热点应力复杂，难以用分析方法确定结构原件的非连续性，进而难以确定它的热点力，通常采用有限元计算或应变片实际量测法来求解热点力。对于大型复杂的焊接结构，需做专门的试验研究或有限元分析。而由于采用不同的有限元网格划分和不同的外推方法，所以不同研究者得到的疲劳数据相差很大。

5、断裂力学在焊接钢结构疲劳分析中有何用武之地

钢结构的疲劳损伤是裂纹在重复或交变荷载作用下不断开展以及最后达到临界尺寸而出现的断裂。断裂力学迅速发展使对疲劳问题的研究有了新的手段。疲劳破坏经历了一个裂纹逐渐扩展到最后迅速断裂的过程，裂纹扩展正是断裂力学的研究对象。钢结构疲劳破坏中，裂纹尖端塑形区域通常很小，线弹性断裂力学能很好的运用。用断裂力学考察疲劳问题首先应分析裂纹扩展速率，断裂力学中引入应力强度因子a K I πσα=,当应力σ在max σ和min σ间不断循环变化时，

应力强度因子在max K 和min K 之间变化。K 的变化幅度是min max K K K -=?。疲劳裂纹的扩展速率取决于a Y K πσ?=?。

应力强度因子是控制疲劳裂纹扩展速率的主要参量，焊接结构存在难以避免的类似裂纹的缺陷，疲劳寿命主要是裂纹扩展寿命，断裂力学是研究裂纹体扩展

特点和规律的学科。裂纹的扩展特性：一区中当变化幅△K 小于门槛值th K 时，疲劳裂纹扩展率为零。裂纹a 和△σ可有不同组合达到裂纹不扩展。二区裂纹稳定扩展三区当△K 很大，接近KIC 或KC ，裂纹失稳扩展断裂。

断裂力学用于焊接结构疲劳的优点:摆脱或减少费时费钱的疲劳试验;多层面地用分析的方法了解疲劳特性、影响因素;特别适合已知裂纹尺寸、预测剩余寿命、安排检测周期的情况。断裂力学着重于理论数值分析、试验辅助，是一门科技含量很高，发展很前沿的学科，将其应用在焊接钢结构疲劳分析中具有很宽广的前景。

参考文献：

1）陈绍蕃，钢结构设计原理，科学出版社，2005。

2）沈祖炎，陈扬骥，陈以一，钢结构基本原理，中国建筑工业出版社，2005。

3）刘刚，黄一，陈景杰，刘磊，焊接构件疲劳强度评估的热点应力法研究 进展，中央高校基本科研业务费专项资金资助，2006

4） 国家标准，钢结构设计规范GB50017－2003

5）黄向红，断裂力学在焊接结构疲劳裂纹扩展研究中的应用，机械研究与 应用，2011。