第八章钢结构的脆性断裂和疲劳_精品文档.ppt

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8.28.28.28.2钢结构抗疲劳设计钢结构抗疲劳设计钢结构抗疲劳设计钢结构抗疲劳设计第第八八章章钢结构的脆性断裂和疲劳钢结构的脆性断裂和疲劳8.18.18.18.1钢结构脆性断裂及其防止钢结构脆性断裂及其防止钢结构脆性断裂及其防止钢结构脆性断裂及其防止8.18.1钢结构脆性断裂及其防止钢结构脆性断裂及其防止8.1.18.1.1脆性断裂破坏脆性断裂破坏从宏观上讲，脆性破坏的主要特征表现为断裂时伸长量极其微小，（例如生铁在单向拉伸断裂时为0.5%0.6%）。

如果结构的最终破坏是由于其构件的脆性断裂导致的，那么我们称结构发生了脆性破坏。

对于脆性破坏的结构。

几乎观察不到构件的塑性发展过程，往往没有破坏的预兆，因而破坏的后果经常是灾难性的。

工程设计的任何领域，无一例外地都要求避免结构的脆性破坏（如在钢筋混凝土结构中避免设计超筋梁），其道理就在于此。

脆性断裂破坏大致可分为如下几类：

脆性断裂破坏大致可分为如下几类：

过载断裂：

由于过载，强度不足而导致的断裂。

这种断裂破坏发生的速度通常极高（可高达2100m/s）,后果极其严重。

在钢结构中，过载断裂只出现在高强钢丝束、钢绞线和钢丝绳等脆性材料做成的构件。

非过载断裂：

塑性很好的钢结构件在缺陷、低温等因素影响下突然呈现脆性断裂。

8.18.1钢结构脆性断裂及其防止钢结构脆性断裂及其防止应力腐蚀断裂：

在腐蚀性环境中承受静力和准静力荷载作用的结构，在远低于屈服极限的应力状态下发生的断裂破坏称为应力腐蚀断裂。

它是腐蚀和非过载断裂的综合结果。

一般认为,强度越高则对应力腐蚀断裂越敏感。

对于常见碳钢和低合金钢而言,屈服强度大于700Mpa时,才表现出对应力腐蚀断裂比较敏感。

据一项1974年的调查报告称,我国铁路桥梁的高强度螺栓在十几年间约有五千分之一发生了应力腐蚀断裂。

此后采用20MnTiB钢和35VB代替40B钢,情况大有改善。

疲劳断裂与腐蚀疲劳断裂：

在交变荷载作用下，裂纹的失稳扩展导致的断裂破坏称为疲劳断裂。

疲劳断裂有高周和低周之分。

循环周数在105以上者称为高周疲劳,属于钢结构中常见的情况。

低周疲劳断裂前的周数只有几百或几十次,每次都有较大的非弹性应变。

典型的低周破坏产生于强烈地震作用下。

环境介质导致或加速疲劳裂纹的萌生和扩展称为腐蚀疲劳。

8.18.1钢结构脆性断裂及其防止钢结构脆性断裂及其防止氢脆断裂：

氢可以在冶炼和焊接过程中侵入金属造成材料韧性降低而可能导致的断裂。

焊条在使用前需要烘干，就是为了防止氢脆断裂。

历史上钢结构的非过载脆性破坏屡有发生。

破坏时应力并未达到材料的抗拉强度，甚至还低于屈服点。

尤其是在焊接结构大量取代铆接结构的过程中，脆断发生频率一度增高，其中不乏后果严重者。

究其原因，有如下一些：

焊缝缺陷的存在，使裂纹萌生的概率增大。

焊缝缺陷的存在，使裂纹萌生的概率增大。

焊焊接接结结构构中中的的数数值值可可观观的的残残余余应应力力，作作为为初初应应力力场场，与与荷荷载载应应力力场场的叠加导致驱动开裂的不利应力组合。

的叠加导致驱动开裂的不利应力组合。

焊焊缝缝连连接接通通常常使使结结构构的的刚刚度度增增大大，结结构构的的变变形形，包包括括塑塑性性变变形形的的发发展受到更大的限制。

尤其是三条焊缝在空间相互垂直时。

展受到更大的限制。

尤其是三条焊缝在空间相互垂直时。

8.18.1钢结构脆性断裂及其防止钢结构脆性断裂及其防止焊焊缝缝连连接接使使结结构构形形成成连连续续整整体体，没没有有止止裂裂的的构构造造措措施施,则则可能一裂到底。

可能一裂到底。

对选材在防止脆性破坏中的重要性认识不足。

对选材在防止脆性破坏中的重要性认识不足。

除此之外，对于大型复杂结构、工作条件恶劣除此之外，对于大型复杂结构、工作条件恶劣（如海洋工程如海洋工程）的结构的认识不足等都是造成脆性破坏发生的因素。

结构的结构的认识不足等都是造成脆性破坏发生的因素。

结构的脆性破坏经常在气温较低的情况下发生。

处在低温的结构的脆性破坏经常在气温较低的情况下发生。

处在低温的结构要选择高韧性的材料来避免脆性破坏发生。

但是，如果处理要选择高韧性的材料来避免脆性破坏发生。

但是，如果处理不当，既便选用了高韧性材质，结构也可能发生脆性破坏。

不当，既便选用了高韧性材质，结构也可能发生脆性破坏。

新的钢结构设计规范新的钢结构设计规范GB50017GB50017为此增加了一节为此增加了一节“提高寒区结提高寒区结构抗脆断能力的要求构抗脆断能力的要求”,对有关构造与施工问题做出了规定。

对有关构造与施工问题做出了规定。

8.18.1钢结构脆性断裂及其防止钢结构脆性断裂及其防止8.1.28.1.2脆性断裂的防止脆性断裂的防止按照断裂力学理论，在弹性范围内，构件布置不出现非过载脆性断裂的条件是（8-1）式中KI-纹尖端的应力强度因子；-裂纹尺度；-裂纹尖端的应力：

KIC-表征断裂性能的材料常数，称断裂韧性，KIC的测试方法见国家标准金属材料平面应变断裂韧性试验方法（GB/T4146-1984）。

8.18.1钢结构脆性断裂及其防止钢结构脆性断裂及其防止为了防止脆性断裂,需要从三个方面入手：

正确选用钢材、使之具有足够的韧性。

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。

注意在构造处理上缓和应力集中，以减小应力值。

除此之外，结构形式也对防止脆性断裂有一定影响。

1.1.钢材选择钢材选择目前工程中常用冲击韧性作为材料韧性指标。

因其试样截面一律用10mm*10mm,并不能完全反映厚板的真实韧性，但其试验简单易行,在工程界有较多的应用试验。

另外,提高冲击韧性的有效措施对提高断裂韧性也同样行之有效。

国家标准碳素结构钢（GB700-88）和低合金钢高强度结构钢（GB/T1591-94）分别保证纵向取样的夏比V形缺口冲击功不低于27J和34J。

8.18.1钢结构脆性断裂及其防止钢结构脆性断裂及其防止钢材的A,B,C,D分级就是依冲击韧性的要求设置的。

一般的,公路钢桥和吊车梁在翼缘板厚度不超过40mm时,可以按所处最低温度加40级别要求,厚度超过40mm则适当降低冲击试样温度。

钢材标准都未对厚板的韧性提供更高的保证。

有鉴于此,设计重要的低温地区露天结构是,尽量避免用厚度大的钢板。

GB50017规范规定,”在工作温度等于或低于-30的地区焊接构件易采用较薄的组成板件”,低温地区必须用厚板时,应提高对冲击韧性的要求或进行全厚度韧性试验,如带缺口的静力拉伸试验和落锤试验,以考察其实际韧性。

8.18.1钢结构脆性断裂及其防止钢结构脆性断裂及其防止2.2.初始裂纹初始裂纹对于焊接结构来说,减小初始裂纹尺寸主要是保证焊缝质量,限制和避免缺陷。

焊缝表面不得有裂纹。

焊缝的咬边（图8-1）,实际上相当于表面裂纹。

钢结构工程施工质量验收规范（GB50205）规定质量等级为一级的焊缝不允许有咬边,二级和三级焊缝则咬边深度不超过0.05t（及0.5mm）和0.1t（及1mm）。

角焊缝的焊瘤（图8-1b）也起类似于裂纹的作用。

GB50205规定，不论焊缝质量等级为哪一级，都不允许焊瘤存在。

除了表面缺陷外，内部也可能有气孔和未焊透的缺陷，亦可萌生裂纹。

内部缺陷由超声波探伤法检测，按8.18.1钢结构脆性断裂及其防止钢结构脆性断裂及其防止国家标准钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级法评定。

质量等级一级和二级的焊缝，检验等级应为B级，评定等级则应分别为和级。

质地优良的焊缝只有通过严格的质量管理和验收制度才能实现。

某糖厂存放废液的焊接罐体结构,在验收合格后不久突然脆性断裂,经事后详细检查,发现焊缝质量存在严重问题。

由于工地施焊条件不如工厂，安装焊缝出现缺陷的机会比工厂焊缝多，GB50017规范规定,在工作温度等于或低于-20的地区,安装宜采用螺栓连接。

3.3.应力应力式（8-1）的应力是构件中的真实应力。

它不仅和荷载的大小有关,也和有无应力集中以及约束造成的残余应力的影响有关。

8.18.1钢结构脆性断裂及其防止钢结构脆性断裂及其防止减缓应力集中问题将在下节结合疲劳问题讨论。

因收缩受到约束而产生高额残余应力的情况在抗脆断设计中必须避免。

4.4.结构形式与构造细节结构形式与构造细节在设计工作的结构选型和结构布置阶段,就应该注意防止断裂问题。

由于赘余构件的断裂一般不会导致整体结构的失效,因此超静定结构对与减少断裂的不良后果一般是有利的。

当然,要同时考虑由于地基不均匀沉降、超静定结构可能会导致严重不利的内力重分布等问题。

静定结构采用多路径传递荷载亦有异曲同工的作用。

用一根独立的简支受弯构件作为跨越结构是单路径结构;而以横向构件相连的数根并联构件作为跨越结构就是多路径的结构。

对于多路径结构,并联构件中的任一个发生断裂，一般都不会立即引起整体结构的坍塌。

8.18.1钢结构脆性断裂及其防止钢结构脆性断裂及其防止实际上，单路径和多路径是相对的。

就整个结构而言，有单路径和多路径结构之分；就单个构件而言。

同样有单路径构件和多路径构件之分。

甚至就构件的各部分元件而言，亦有单路径元件和多路径元件之分。

显然，就防止断裂而言，多路径组织要优于单路径组织。

一个由单个角钢构成的拉杆是单路径构件，而由两个以上角钢和钢板构成的组合截面拉杆则是多路径构件。

如图8-2所示，焊接受弯构件受拉翼缘可以作成单层的（图8-2），也可以作成多层的（图8-2a）。

前者的受拉翼缘是单路径元件，而后者属于多路径元件。

当弯矩很大，需要选取较厚的翼缘时，从抗断裂的角度看，后者要比前者8.18.1钢结构脆性断裂及其防止钢结构脆性断裂及其防止有利。

这不仅是因为单层厚板翼缘脆断的可能性比多层薄板翼缘大得多，还在于前者一旦开裂，即一裂到断，后者在一层板开裂后，不会波及其它板层。

顺便指出，在图（8-2b）中翼缘和腹板采用不焊透的焊缝连接，有利于阻止裂缝的发展。

但是，设置这种构造间隙并不是无条件的，因为构造间隙并不总是起有利于构件抵抗断裂的作用。

只有在上述这种梁翼缘和腹板之间无垂直于间隙的拉力时才允许。

否则，构造间隙的类裂纹作用十分有害。

在它近旁的高度应力集中，高额的焊接残余应力，以及因热塑变形而时效硬化导致的基体金属的脆性提高，经常扮演诱发裂纹的角色。

图8-3中是一些典型例子。

8.18.1钢结构脆性断裂及其防止钢结构脆性断裂及其防止其中图8-3（a）是在一渔船甲板上因阻止木地板滑动而焊有窄钢板条的情形，窄钢板条相互之间的对接处没有焊接，而只是将窄钢板条焊于甲板，对接间隙因而相当于一条预裂纹，在低温-16时，甲板子于隙处开裂，并向两旁扩展。

图8-3（b）是一用拼接角钢连接的输电塔的受拉主杆，在低温-50时，断裂发生于间隙处（低温收缩引起的导线张力增大是断裂的外因）。

图8-3（c）是一具有支撑环的储液罐，支撑环的拼接焊以及罐与支撑环的连接焊缝均未焊透，在低温-20，裂纹从拼接焊缝处扩展到罐体。

低温地区的结构必须避免这种留有间隙的构造设计。

8.18.1钢结构脆性断裂及其防止钢结构脆性断裂及其防止8.18.1钢结构脆性断裂及其防止钢结构脆性断裂及其防止在板的拼接中，不宜留狭长的拼接间隙，而要采用两面剖口的对接焊缝并予以焊透，或者采用图8-4所示的构造方案。

其中图8-4（a）是将拼接间隙拉开，固8-4（b）是将焊缝终止于离拼接间隙30mm处。

总之，一般情况下，低温地区既不应在构造上留有类似裂纹的间隙，也不应在板件对接和T型连接中采用不焊透的焊缝。

8.18.1钢结构脆性断裂及其防止钢结构脆性断裂及其防止多路径结构使局部破坏不至于殃及整体结构的坍塌。

在航海和航空结构中应用较广的止裂元件亦是为了将裂缝的扩展限制于局部，以免一裂到底，祸及整体。

用高韧性材料做成的板内止裂元件和板外止裂元件，其构造如图8-5所示。

图中止裂元件与主材的对接焊缝要求采用双面剖口型。

8.18.1钢结构脆性断裂及其防止钢结构脆性断裂及其防止另外，在梁、柱等构件的端部经常要处理图8-6所示的角形连接，端竖板如果存在分层缺陷，构造不当会引起层间撕裂。

因此，宜采用图8-6（a），（b）的角形连接构造，而避免采用图8-6（c），