钢结构基本原理第9章 钢结构的脆性断裂与疲劳破坏

图9-6 断口示意 1-光滑区 2-粗糙区
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二、影响疲劳破坏的因素 钢结构的疲劳破坏先决条件是微观裂纹的形成
和裂纹部位的应力集中，然后取决于作用的连续重 复荷载产生的应力因素——应力比或应力幅，以及 应力循环次数等。
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(一)微观裂纹和应力集中 钢材生产和制造等过程中，在结构的某些部位
存在着局部微小缺陷， 即“类裂纹”。随着裂纹 的逐渐开展，应力集中现象越来越严重，进而促使 裂纹更继续开展。当重复荷载达到一定循环次数时， 裂纹的发展将使截面削弱更多，导致承受不了外力 作用，最终发生脆性断裂，形成疲劳破坏。
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(三)材料韧性 （4）加荷速率 从图9-3中可以看出，随着加荷速率的减小，
曲线向温度较低的方向移动。 图9-4中速加荷时韧性比缓慢加荷下降不多，
而比动力加荷提高很多。
图9-3 断裂吸收能量随温度的变化 图9-4 加荷速率对断裂韧性的影响 11
(三)材料韧性
（5）腐蚀介质 在腐蚀介质中，构件原来存在的裂纹随着时间 的增长而逐渐扩展，待达到临界尺寸时就会突然脆 断，这种现象称为应力腐蚀开裂。 一般在腐蚀介质中材料的断裂韧性比空气中的 要低，而且不同的金属材料－介质系统，在不同的 实验条件下，裂纹扩展规律也不相同。应力腐蚀开 裂主要发生在高强度材料，比如高强度螺栓在使用 过程中就有可能出现应力腐蚀。
（1）尽量减小初始裂纹的尺寸，避免在构造 处理中形成类似于裂纹的间隙。加强施焊工艺管理， 避免施焊过程中产生裂纹、夹渣和气泡等。
（2）注意正确选择和制订焊接工艺以减少不 利残余应力。焊缝不宜过分集中，尤其避免三条焊 缝在空间互相垂直相交，施焊时不宜过强约束，避 免产生过大残余应力。正确选择焊接工艺，遵守设 计对制造提出的技术要求，以防止造成缺口高峰应 力，减小焊接残余应力，防止热影响区钢材晶粒组 织变粗等。低温下发生低应力的脆断，常与残余应 力有关。
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三、防止脆性断裂的措施 影响钢材脆断的直接因素是裂纹尺寸、作用应
力和材料的韧性。目前断裂力学理论已经成功地用 于球罐和氧气罐等高压容器的断裂安全设计，由于 该理论设计较为复杂，建筑及桥梁结构中尚未直接 应用，主要从构造上采取相关措施以提高钢的材抗 脆断性能。主要措施有：
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三、防止脆性断裂的措施
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三、防止脆性断裂的措施 （3）进行合理细部构造设计，选择合适的结
构方案和杆件截面、连接及构造型式，避免截面的 急剧改变及出现凹角，尽量避免构造应力集中。
（4）选择合理的钢材，使其具有足够的韧性。 根据结构的荷载情况(包括静力或动力性质)、所处 环境温度和所用钢材厚度，选用合适的钢种并提出 需要的技术要求(包括必要时的冲击韧性要求)等。
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(三)材料韧性
（2）应力状态 采用冲击韧性衡量材料的韧性时，冲击试件的 开口形状有很大的影响，因为开口形状决定了断口 处的应力状态。由于夏比V形缺口处的应力状态和 应力集中程度都比较不利，并能覆盖实际结构的应 力状态，目前都采用这种形式的缺口。 （3）工作温度 材料的冲击韧性与温度有密切关系。当工作温 度很低时，所采用材料的冲击韧性不应处于脆性破 坏范围，而应接近于塑性破坏时的数值。
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三、防止脆性断裂的措施
（5）设计合理的结构形式。优良的结构形式 可以减小断裂的不良后果。在设计时应注意使荷载 能多途径传递。
（6）制造和安装钢材的冷热加工易使钢材硬 化和变脆，应采取措施尽量减少其不利影响。
（7）建立必要的使用维修规定和措施应保证 结构按设计规定的用途、荷载和环境条件使用，不 得超越。
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(一) 裂纹
当裂纹扩展到临界尺寸，脆性断裂就会发生。
当一块板处于平面应变条件下（图9-1），如果应
力强度因子
K1 a KIC
(9-1)
则裂纹将迅速扩展而造成断裂。
图9-1 裂纹尺寸ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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(一) 裂纹 建筑结构所用的钢材薄板开裂的条件是：
8 f ya
E
ln
sec
( 2fy
)
c
(9-2)
结构内部缺陷尽可能通过控制施工工艺、改善 细部设计、加强质量检查等方法减小结构内部的缺 陷。
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一、脆性断裂的概念 钢结构的脆性破坏破坏特征： 脆性断裂破坏前没有任何征兆，破坏为突然发
生，根本来不及补救； 断口平直，呈有光泽的晶粒状。
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二、影响脆性断裂断裂力学分析 钢材的脆断可用断裂力学观点解释，该观点认
为脆性断裂是由于裂纹引起的，是在荷载和侵蚀性 环境作用下，裂纹扩展到明显尺寸时发生的。由此 可知，影响脆断的直接因素是裂纹尺寸、作用应力 的大小和方式、材料的韧性。
第9章 钢结构的脆性断裂与疲劳破坏
韩国圣水大桥因疲劳破坏而突然塌落
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本章内容
第一节 钢结构的脆性断裂 第二节 钢结构的疲劳破坏
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第一节 钢结构的脆性断裂 一、脆性断裂的概念
钢结构尤其是焊接结构，在钢材加工、制造、 焊接过程中通常产生类似于裂纹的缺陷，在荷载作 用下或侵蚀环境下，当裂纹缓慢扩展到一定程度后， 尽管钢材应力低于其抗拉强度甚至低于屈服强度， 但仍发生突然迅速断裂破坏。
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(三)材料韧性
影响材料韧性的因素除了化学成分、冶炼方法、 浇铸方式、轧钢工艺、焊接工艺等之外，钢板厚度、 应力状态、工作温度和加荷速率等有明显的影响。
（1）钢板厚度 图9-2示出材料断裂韧
性随厚度变化的情况，钢 板厚度越大，韧性越低， 破坏的断面越平整，表明 是脆性破坏。
图9-2断裂韧性随
厚度变化
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(二)应力
分析脆性断裂时，应考虑应力集中和残余应力 等因素。如果构件中有较严重的应力集中和较大的 残余拉应力则容易引起构件的脆性断裂。
构件中的应力集中和残余应力与构件的构造细 节和焊缝位置、施工工艺等有关。在设计时应避免 焊缝过于集中、构件截面的突然变化以及在施焊时 会产生严重约束应力的构造等。
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第二节钢结构的疲劳破坏 一、疲劳破坏的概念
钢材在持续反复荷载作用下，虽然其应力低于 强度极限，甚至还低于屈服极限，仍会发生突然的 脆性断裂破坏，称为钢材的疲劳。金属结构的疲劳 按其断裂前的应力大小和应力循环次数可分为高周 疲劳和低周疲劳两种，钢结构只考虑高周疲劳计算。
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一、疲劳破坏的概念
钢材的疲劳破坏过程: 裂纹的形成→裂纹的缓慢 扩展→裂纹的迅速断裂。 疲劳破坏属于没有明显变 形的脆性破坏，危险性较 大。疲劳破坏的断口如图 9-6所示。