钢结构的疲劳破坏事故

6.2.2 循环次数
应力循环次数是指在连续重复荷载作用下应力由最大到 最小的循环次数。在不同应力幅作用下，各类构件和连接产 生疲劳破坏的应力循环次数不同，应力幅愈大，循环次数愈 少。当应力幅小于一定数值时，即使应力无限次循环，也不 会产生疲劳破坏，即达到通称的疲劳极限。《钢结构设计规 范》参照有关标准的建议，将n=5×106次被视为各类构件和 连接疲劳极限对应的应力循环次数。
6.2 疲劳破坏的影响因素分析
1. 应力幅
max min
2. 循环次数 规范将5×106次视为疲劳极限的循环次数
3. 构造细节 应力集中对疲劳性能影响显著，而构造细 节是应力集中产生的根源。
6.2.1 应力幅
应力循环特征可分为常幅循环应力 谱和变幅循环应力谱。除应力幅外应力 比 min / max 也是标志应力谱特征的参 量。
第6章 钢结构的疲劳破坏事故
6.1 疲劳破坏的概念
钢材或构件在反复交变荷载作用下在应 力远低于抗拉极限强度发生的一种破坏。 1. 疲劳破坏是钢结构在反复交变动荷载作用 下的破坏形式，而塑性破坏和脆性破坏是 钢结构在静载作用下的破坏形式； 2. 虽然具有脆性破坏特征，但不完全相同； 3. 断口分为疲劳区和瞬断区。
2.有限寿命设计
有限寿命设计准则要求零部件或结构在给定的使用周期内 不能产生任何疲劳裂纹。为满足此要求，必须准确掌握整个 使用寿命期间可能承受的载荷；然后通过分析和实验找出关 键物件在这一荷载谱作用下的预期寿命．再引入安全系数以 达到安全寿命。但事实上，我们很难预测使用期间所有的载 荷条件，且疲劳实验结果又有很大的离散性。因此，安全系 数确定中有许多不定因素，只有取的足够大，才能使疲劳破 坏的可能性降到很低。
3. 破损-安全设计
破损--安全设计准则首先是在航空工程中发展起 来的。它认为裂纹可以出现，但在整个裂纹被检测 和进行修理前，所出现的裂纹不会导致整个结构的 破坏。这就要求定期检查和维修，以便及时发现裂 纹，同时要求裂纹扩张速度较慢。此外，希望所设 计的结构能够进行载荷多路径传递转移，即将结构 某一环节破坏后，载荷能够被转移并重新分布。
总之，依靠精心的选材、设计、制作、安装和使用，再加上焊接之后的 一些特殊工艺措施，可以达到提高和改善疲劳性能的作用。
6.4 疲劳设计准则
• 无限寿命设计 • 有限寿命设计 • 破损-安全设计 • 损伤-容限设计
1. 无限寿命设计
这是一种最保险的方法。采用此准则 设计的许用应力必须低于疲劳极限，因 应力很低，造价过高，往往不现实。
6.6.3 螺栓球节点网架的疲劳性能
作为一种工程预制、现场拼装、适用于工业化生产 的网架形式，就应用范围而言，目前已跃居首位；其 疲劳性能关键是高强螺栓的疲劳。
1999年至今，太原理工大学在国家自然科学基金 的资助下，开始对螺栓球节点网架设置悬挂吊车的变 幅疲劳性能进行了系统的理论与试验研究，已获得成 果如下：
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6.6 网架结构疲劳问题的系统研究
6.6.1 疲劳问题的提出 网架是一种高次超静定的空间结构，由于
其外形美观、受力合理、制作简便、形式灵 活等特点，得到了迅猛发展。网架结构不仅 应用于体育场馆等公共建筑，也广泛应用于 工业建筑中。悬挂吊车充分发挥了超静定结 构对集中力扩散快的优点，而且布置灵活， 便于工业流程改造。悬挂吊车吨位及运行频 繁程度增大，疲劳问题也日趋严重。
1. 通过对随机荷载谱相关问题的理论研究，编制了我国螺栓 球节点网架疲劳载荷谱程序。
2. 借助有限元分析软件，对螺栓球节点相关的高强螺栓、锥 头、封板等部件进行了应力分析，求得了各种螺纹形式下 的高强螺栓螺纹根部的应力集中系数，为今后疲劳累积理 论估算疲劳寿命或以热点应力幅为参量建立疲劳验算方法 奠定了基础。
6.2.3 构造细节
应力集中对钢结构的疲劳性能影响显著， 而构造细节是应力集中产生的根源。构造细 节常见的不利因素如下： (1) 钢材的内部缺陷，如偏析、夹渣、分层、 裂纹等； (2) 制作过程中剪切、冲孔、切割；
(3) 焊接结构中产生的残余应力； (4) 焊接缺陷的存在，如：气孔、夹渣、咬肉、 未焊透等； (5) 非焊接结构的孔洞、刻槽等； (6) 构件的截面突变； (7) 结构由于安装、温度应力、不均匀沉降等 产生的附加应力集中。
4. 损伤-容限设计
损伤-容限设计准则是破损-安全设计的改进， 此法首先是假定裂纹预先存在．再用断裂力 学的分析和试验方法判断裂纹是否扩展到临 界尺寸，以致造成破坏。此准则适用于裂纹 扩展较慢并有高断裂韧性的材料。
6.5 钢结构疲劳计算方法
• 常幅疲劳计算
• 变幅疲劳计算
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• 吊车梁及吊车桁Байду номын сангаас疲劳计算
6.3 提高改善疲劳性能的措施
• 精心选材； • 精心设计； • 精心制作； • 精心施工； • 精心使用； • 修补焊缝；方法如下：
(1)对于对接焊缝，磨去焊缝表面部分，如对接焊缝的余高。如果焊缝内部 无显著缺陷，疲劳强度可以提高到和母材相同。 (2)对于角焊缝，应打磨焊趾。焊缝的趾部时常存在咬肉(咬边)等切口（如 图），且有焊渣侵入。对于纵向角焊缝，则可打磨它的端部，使截面变化趋 于缓和，打磨后的表面不应有明显刻痕。 (3)对于角焊缝的趾部，用气体保护钨弧重新熔化，可以起到消除切口的作 用。此方法在不同应力幅的情况下疲劳寿命都能同样提高。 (4)在焊缝及附近金属表层采用喷射金属丸粒或锤击等方法引入残余压应力， 是改善疲劳性能的一个有效方法。残余压应力和锤击造成的冷工硬化均会使 疲劳强度提高．同时尖锐切口也被缓减。
3. 针对M20、M30、M39三种规格的高强螺栓共50个试件进 行了常幅疲劳试验和程序块变幅疲劳试验，建立了常幅疲 劳的设计方法以及变幅疲劳的寿命估算方法。
6.6.2 焊接空心球节点网架的疲劳性能
与螺栓球节点网架相比，其整体刚度大，更适用 于悬挂吊车动载作用的工业厂房。试验证明受压时 不存在疲劳问题。
1984年，太原理工大学开始对焊接空心球节点网 架的静力及疲劳性能进行系统的理论及试验研究， 通过对4种规格、15个试件的常幅疲劳试验，得到了 工程中常用的管--球节点在剖口焊情况下的疲劳曲线 (如图)。