鋼結(jié)構(gòu)第三版課件第8章

1、鋼鋼 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)2014年年4月月輔導(dǎo)材料輔導(dǎo)材料 鋼構(gòu)件脆性斷裂有多種類(lèi)別，本章論述其中兩種：非過(guò)載斷裂和疲勞斷裂。非過(guò)載斷裂在焊接結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)，比在鉚接和栓接結(jié)構(gòu)中多，主要原因有：焊縫缺陷的存在；高額焊接殘余拉應(yīng)力；焊縫連接有時(shí)使塑性變形難于發(fā)展；焊接結(jié)構(gòu)形成連續(xù)整體，一旦開(kāi)裂會(huì)一裂到底； 非過(guò)載脆性斷裂大多發(fā)生在低溫環(huán)境中。第第8章章 鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂和疲勞鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂和疲勞8.1 脆性斷裂及其防止脆性斷裂及其防止 脆性斷裂的防止脆性斷裂的防止 防止脆性斷裂，以斷裂力學(xué)的下列公式為參照。公式的特點(diǎn)是以存在內(nèi)部缺陷（裂紋）的材料為對(duì)象： （ 8.1）式中： K1-裂紋尖端的應(yīng)

2、力強(qiáng)度因子； a-裂紋尺寸； -裂紋尖端的應(yīng)力； K1c-材料的斷裂韌性，以MPam1/2計(jì)。 為了滿(mǎn)足式（8.1），需要從三方面著手：選用斷裂韌性較高的鋼材；盡量減小初始裂紋的尺寸；在構(gòu)造處理上注意緩和應(yīng)力集中。cKaK118.1 脆性斷裂及其防止脆性斷裂及其防止 選用韌性適當(dāng)?shù)匿摬倪x用韌性適當(dāng)?shù)匿摬?土建結(jié)構(gòu)用鋼材是彈塑性材料，很難對(duì)其斷裂韌性進(jìn)行測(cè)定。但公式（8.1）仍然具有很大參考價(jià)值。在實(shí)際工作中用沖擊韌性的指標(biāo)代替斷裂韌性。 不論材料厚度有多大，沖擊韌性的試件都取為10mm10mm55mm,因而不能顯示厚板韌性低于薄板的現(xiàn)實(shí)。有鑒于此，寒冷地區(qū)的結(jié)構(gòu)厚度大于40mm的鋼材，質(zhì)量等級(jí)

3、應(yīng)提高一級(jí)。 減小初始裂紋尺寸減小初始裂紋尺寸 初始裂紋來(lái)源于焊接缺陷。 焊縫的咬邊、焊瘤、氣孔和未焊透都起類(lèi)似于裂紋的作用。 除了保證焊接質(zhì)量外，還要注意在構(gòu)造設(shè)計(jì)中避免類(lèi)似裂紋的間隙。 8.1 脆性斷裂及其防止脆性斷裂及其防止 應(yīng)力應(yīng)力 公式(8-1)中的指構(gòu)件中的真實(shí)應(yīng)力，和構(gòu)造形成的應(yīng)力集中有關(guān)。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量避免應(yīng)力高度集中的構(gòu)造細(xì)部。 另一方面，還要注意應(yīng)力狀態(tài)。雙軸拉伸和三軸拉伸都使材料在不同程度上變脆，應(yīng)該避免。 避免構(gòu)造間隙避免構(gòu)造間隙 構(gòu)造間隙是人為的裂紋，是脆性斷裂的發(fā)源地。本書(shū)的圖8-2的三個(gè)事例十分清楚。 多路徑傳遞多路徑傳遞 以上闡述的是如何防止脆斷，這里說(shuō)的

4、是減小脆斷的危害程度。多根并列的簡(jiǎn)支梁分擔(dān)既定的荷載，比只用一、兩根梁有利。多根梁中的一根失效后，其他各根還能承擔(dān)較大的荷載，不致徹底垮掉。8.1 脆性斷裂及其防止脆性斷裂及其防止 防止層間撕裂防止層間撕裂 厚板內(nèi)部有時(shí)存在分層缺陷。 厚度方向的拉力有可能造成層間撕裂，但在工程中并不多見(jiàn)。 焊縫收縮反而是工程中遇到過(guò)的層間撕裂的起因。 8.1 脆性斷裂及其防止脆性斷裂及其防止收縮引起撕裂避免撕裂的構(gòu)造方案 常幅疲勞的計(jì)算常幅疲勞的計(jì)算 采用容許應(yīng)力法，荷載取標(biāo)準(zhǔn)值。容許應(yīng)力幅： 式中n是應(yīng)力循環(huán)次數(shù)； C和都是和構(gòu)件及連接相關(guān)的參數(shù)。 03規(guī)范把構(gòu)件及連接分為8類(lèi)。更細(xì)致的方法則是分為14類(lèi)。

5、 參數(shù)比較簡(jiǎn)單，除1、2類(lèi)取4外，其他類(lèi)別都取3，而且1、2類(lèi)用于無(wú)連接或應(yīng)力集中很弱的連接處的母材。 參數(shù)C反映應(yīng)力集中的影響，它首先和構(gòu)造細(xì)部有密切關(guān)連。但同時(shí)也和施工方案和施工質(zhì)量有關(guān)。8.2 抗疲勞設(shè)計(jì)抗疲勞設(shè)計(jì)1/Cn8.2 抗疲勞設(shè)計(jì)抗疲勞設(shè)計(jì) 構(gòu)件和連接類(lèi)別的分析構(gòu)件和連接類(lèi)別的分析 Z1類(lèi)沒(méi)有應(yīng)力集中，C值很大。對(duì)應(yīng)于二百萬(wàn)次疲勞壽命的容許應(yīng)力幅為176N/mm2。由于疲勞計(jì)算的荷載取標(biāo)準(zhǔn)值，用Q235鋼的結(jié)構(gòu)無(wú)需計(jì)算。有橫向?qū)雍缚p的構(gòu)件，當(dāng)符合一級(jí)焊縫質(zhì)量者歸屬Z4級(jí)，容許應(yīng)力幅為112N/mm2。如果不僅符合一級(jí)焊縫質(zhì)量，并且經(jīng)加工磨平，使應(yīng)力集中基本消失，則可以提高到Z

6、2級(jí)。反之，如果橫向?qū)雍缚p帶有墊板，則應(yīng)力集中更嚴(yán)重，將下降到Z8級(jí)，甚至Z11級(jí)。相應(yīng)容許應(yīng)力幅分別為71和50N/mm2。 類(lèi)別適用構(gòu)件或連接舉例 C/1012（N/mm2） Z1 軋制型鋼 1920174 Z4 橫向?qū)雍缚p附近的母材，符合一級(jí)焊縫質(zhì)量者 2.81112 Z8 帶墊板的橫向?qū)雍缚p附近的母材，墊板寬出母板20mm 0.7271 Z11 帶墊板的橫向?qū)雍缚p附近的母材，墊板寬出母板不足20mm 0.2550 62 108.2 抗疲勞設(shè)計(jì)抗疲勞設(shè)計(jì) 變幅疲勞的計(jì)算變幅疲勞的計(jì)算 計(jì)算變幅疲勞的實(shí)用方法是通過(guò)等效應(yīng)力幅把問(wèn)題轉(zhuǎn)化為常幅疲勞問(wèn)題，等效應(yīng)力幅由下式計(jì)算：1/iie

7、inn(8-11) 此式來(lái)源于Miner規(guī)則，即線(xiàn)性累積損傷準(zhǔn)則：/1iinN結(jié)構(gòu)承受多個(gè)不同的應(yīng)力幅 ，i=1,2,3,m。任一 的循環(huán)次數(shù)為ni，對(duì)應(yīng)于 的常幅疲勞壽命為Ni，則ni/Ni為 造成的損傷率。由真實(shí)的隨機(jī)應(yīng)力譜確定 和ni，需要簡(jiǎn)便的計(jì)數(shù)法：水庫(kù)計(jì)數(shù)法和雨流計(jì)數(shù)法。iiiiimaxmin 大部分結(jié)構(gòu)的疲勞應(yīng)力都是變幅度的（如吊車(chē)梁）。 變幅疲勞的特點(diǎn)是有許多次應(yīng)力幅都達(dá)不到最大值 ，亦即存在欠載現(xiàn)象。8.2 抗疲勞設(shè)計(jì)抗疲勞設(shè)計(jì) 疲勞極限疲勞極限 當(dāng)應(yīng)力幅不超過(guò)某一數(shù)值 時(shí)，不論應(yīng)力循環(huán)多少次都不會(huì)出現(xiàn)疲勞損傷，稱(chēng) 為疲勞極限。 對(duì)于常幅疲勞， 出現(xiàn)在n=5106處。ccc

8、變幅疲勞的疲勞極限低于常幅疲勞，以 代表。低的原因是：變幅疲勞中有一部分應(yīng)力幅高于等效應(yīng)力幅，并造成比 更大的損傷。 起始于n=108處，evv在該點(diǎn)和n=5106點(diǎn)之間有斜率為 的過(guò)渡段。當(dāng)總循環(huán)次數(shù)超過(guò)5106時(shí)，變幅疲勞計(jì)算需要采用更復(fù)雜的計(jì)算公式。)2(8.2 抗疲勞設(shè)計(jì)抗疲勞設(shè)計(jì)（1）有橫向角焊縫的連接和對(duì)接焊縫連接的板，當(dāng)板厚大于25mm時(shí)， 其容許應(yīng)力幅應(yīng)乘以折減系數(shù)（2）非焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力幅由下式計(jì)算（3）在循環(huán)荷載作用下承受剪應(yīng)力的部位，按下式進(jìn)行疲勞計(jì)算 用于角焊縫時(shí)， 。0.2525/ttmaxmin0.71/jCn61122 1034.1 1059N/mmjC， 疲勞計(jì)算的其他問(wèn)題疲勞計(jì)算的其他問(wèn)題8.2 抗疲勞設(shè)計(jì)抗疲勞設(shè)計(jì)（1）選用疲勞性能好的構(gòu)造方案，也就是應(yīng)力集中程度低的方案。 例如：板與板拼接時(shí)采用對(duì)接焊縫，而不是拼接板加角焊縫； 構(gòu)件上焊節(jié)點(diǎn)板時(shí)，采用有圓弧過(guò)渡的板，而不是矩形板。 改善結(jié)構(gòu)疲勞性能的措施改善結(jié)構(gòu)疲勞性能的措施（2）構(gòu)造產(chǎn)生的應(yīng)力