鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞是指什么現(xiàn)象(導致疲勞破壞的原因有哪些)
發(fā)布時間：2022-10-18 10:08:58 瀏覽次數(shù)：1704次
鋼結(jié)構(gòu)疲勞問題最開始是在1829年由法國采礦工程師爾倍特(W.A.J.Albert)根據(jù)他所做的鐵鏈的重復載荷試驗所提出的。1839年波客來持(Poncelet)肖先采用“疲勞“(Fatigue)一詞來描述“在反復施加的載荷作用下的結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象”,但是以”疲勞”一詞作為題目的第一篇論文是由勃累士畏(Braithwaite)于1854年在倫敦土木工程年會上發(fā)表的。在第二次世界大戰(zhàn)中,發(fā)生了多起飛機疲勞失事事故,人們從一系列的災難性事放中,逐漸認識到疲勞破壞的嚴重性。
金屬結(jié)構(gòu)的疲勞是工程界早已關(guān)注的問題。就金屬結(jié)構(gòu)而言,包括飛機,車輛等各類結(jié)構(gòu)都在內(nèi)的總體,大約80%-90%的裝壞事故和疲勞有關(guān)。其中土建鋼結(jié)構(gòu)所占的比重雖然不大,但隨著焊接結(jié)構(gòu)的發(fā)展,焊接吊車梁的疲勞問題已十分普遍,受到了工程界人士的重視。目前,《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中已建立了疲勞驗算方法,此方法對防止疲勞破壞的發(fā)生有重要作用。
鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞是指鋼材或構(gòu)件在反復交變荷載作用下在應力遠低于抗控極限強度甚至屈服點的情況下發(fā)生的一種破壞。就斷裂力學的觀點而言,疲勞破壞是從裂紋起始,擴展到最終斷裂的過程。
疲勞破壞與靜力強度破壞是截然不同的兩個概念。它與塑性破壞和脆性破壞相比具有以下特點：
（1）疲勞破壞是鋼結(jié)構(gòu)在反復交變動載作用下的破壞形式,而塑性破壞和性破壞是鋼結(jié)構(gòu)在靜載作用下的破壞形式。
（2）疲勞破壞雖然具有性破壞特征,但不完全相同。勞破壞經(jīng)歷了裂纏起始、擴展和斷裂的漫長過程,而脆性破壞往往是無任何先兆的情況下瞬間突然發(fā)生。
（3）就疲勞破壞斷口面言,一般分為疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)。疲勞區(qū)記載了裂縫擴展和閉合的過程,顏色發(fā)暗,表面有較清楚的疲勞紋理,呈沙灘狀或波紋狀。瞬斷區(qū)真實反映了當構(gòu)件截面因裂縫擴展削弱到一臨界尺寸時脆性斷裂的特點,瞬斷區(qū)晶粒粗亮。
鋼結(jié)構(gòu)疲勞是一個十分復雜的過程,從微觀到宏觀,疲勞破壞受到眾多因素的影響,尤其是對材料和構(gòu)件靜力強度影響很小的因素,對疲勞影響卻非常顯著,例如構(gòu)件的表面缺陷,應力集中等。
自1972年里海大學J.W.Fisher提出疲勞設(shè)計新概念至今，各國普遍公認,影響鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞的主要因素是應力幅,構(gòu)造細節(jié)和循環(huán)次數(shù),而與鋼材的靜力強度和最大應力無明顯關(guān)系,該觀點尤其對焊接鋼結(jié)構(gòu)更具有正確性。
應力集中對鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能影響顯著,而構(gòu)造細節(jié)是應力集中是應力集中產(chǎn)生的根源。構(gòu)造細節(jié)常見的不利因素：
（1)鋼材的內(nèi)部缺陷,如偏析、夾渣、分層、裂紋等；
（2)制作過程中剪切、沖孔、切割；
（3)焊接結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的殘余應；
（4)焊接缺陷的存在,如:氣孔、夾渣、咬肉、未焊透等；
（5）非焊接結(jié)構(gòu)的孔洞、刻槽等；
（6）構(gòu)件的截面突變；
（7）結(jié)構(gòu)由于安裝、溫度應力、不均勻沉降等產(chǎn)生的附加應力集中。
對構(gòu)件細節(jié)對疲勞強度的影響,《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中把構(gòu)造和連接形式按吃力集中的影響程度由低到高分為8類。第一類為基本無應力集中影響的無連接處的主體金屬,第八類則為應力集中最嚴重的角焊縫。
由疲勞性能的三個影響因素來看,應力幅及循環(huán)次數(shù)是客觀存在的事實,因此,提高和改善疲勞性能的途徑只有從減小應力集中入于。具體措施如下：
1、精心選材。對用于動載作用的鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件,應嚴格控制鋼材的缺陷,并選擇優(yōu)質(zhì)鋼材。
2.精心設(shè)計。力求減少截面突變,避免焊縫集中,使鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法合理化。
3.精心制作。使缺陷、殘余應力等減小到最低程度。
4.精心施工。避免附加應力集中的影響。
5．精心使用。避免對結(jié)構(gòu)的局部損害,如劃痕、開孔、撞擊等。
6.修補焊縫。目的是緩解缺陷產(chǎn)生的應力集中,方法如下:
（1）對于對接焊縫,磨去焊縫表面部分,如對接焊縫的余高。如果焊縫內(nèi)部無顯著缺陷，疲勞強度可提高到和母材相同。
（2)對于角焊縫,應打磨焊趾。焊縫的趾部時常存在咬肉(咬邊)等切口,且有焊渣侵入。因此,要得到較好的效果,必須像上圖所示B縫那樣,不僅磨去切口,還要將板磨去0.5mm,以除去侵入的焊渣。這種做法雖然使鋼板截面稍有削弱,但影響并不大。如果像圖中A縫那樣磨去部分焊縫,就得不到改善的效果。上圖所示為橫向角焊縫,對于縱向角焊縫,則可打磨它的端部,使截面變化趨于緩和,打磨后的表面不應由明顯刻痕。
（3)對于角焊縫的趾部,用氣體保護鎢弧重新熔化,可以起到消除切口的作用。此方法在不同應力幅的情況下疲勞壽命都能同樣提高。
（4)在焊縫及附近金屬表層采用噴射金屬丸?；蝈N擊等方法引入殘余壓應力,是改善疲勞性能的一個有效方法。殘余壓應力和錘擊造成的冷工硬化均會使疲勞強度提高。同時尖銳切口也被緩減。
總之,依靠精心的選材、設(shè)計、制作、安裝和使用,再加上焊接之后的一些特殊工藝措施,可以達到提高和改善疲勞性能的作用。
根據(jù)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的重要性,目前國際上有以下四種疲勞設(shè)計準則。
1、無限壽命設(shè)計
這是一種最保險的方法。采用此準則設(shè)計的許用應力必須低于疲勞極限。因應力低,造價過高,往往不現(xiàn)實。
2、有限壽命設(shè)計
有限壽命設(shè)計也稱為安全壽命設(shè)計。安全壽命設(shè)計準則要求零部件或結(jié)構(gòu)在給定的使用周期內(nèi)不能產(chǎn)生任何疲勞裂紋。為滿足此要求,必須準確掌握整個使用壽命期間可能承受的載荷;然后通過分析和實驗找出關(guān)鍵物件在這一荷載譜作用下的預期壽命,再引入安全系數(shù)以達到安全壽命。安全壽命決定使用期限,結(jié)構(gòu)和構(gòu)件用到安全壽命即予報廢或更換。但事實上,我們很難預測使用期間所有的載荷條件,且疲勞實驗結(jié)果又有很大的離散性。因此,安全系數(shù)確定中有許多不定因素,只有取的足夠人,才能使勞破壞的可能性降到很低。
3.破損一安全設(shè)計
破損一安全設(shè)計準則首先是在航空工程中發(fā)展起來的。它認為裂紋可以出現(xiàn),但在整個裂紋被檢測和進行修理前,所出現(xiàn)的裂紋不會導致整個結(jié)構(gòu)的破壞。這就要求定期檢查和維修,以便及時發(fā)現(xiàn)裂紋,同時要求裂紋擴張速度較慢。此外,希望所設(shè)計的結(jié)構(gòu)能夠進行載荷多路徑傳遞轉(zhuǎn)移,即將結(jié)構(gòu)某一環(huán)節(jié)破壞后(特別是超靜定結(jié)構(gòu)),載荷能夠被轉(zhuǎn)移并重新分布。在此說明一點,釆用此類設(shè)計方法時,確定容許應力幅可以減去一倍標準差,而不是常規(guī)的兩倍標準差。
4.損傷一容限設(shè)計
損傷一容限設(shè)計準則是破損一安全設(shè)計的改進,此法首先是假定裂紋預先存在,再用斷裂力學的分析和試驗方法判斷裂紋足否擴展到臨界尺寸,以致造成破壞。此準則適用于裂紋擴展較慢并有高斷裂韌性的材料。
以上述四種設(shè)計準則都有各自的優(yōu)缺及適用范圍。在建筑鋼結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計中,以安全壽命設(shè)計法與破損一安全設(shè)計相結(jié)合更為合理。
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