鋼結(jié)構(gòu)的可能破壞形式演示文稿

鋼結(jié)構(gòu)的可能破壞形式演示文稿當(dāng)前第1頁\共有30頁\編于星期三\12點優(yōu)選鋼結(jié)構(gòu)的可能破壞形式當(dāng)前第2頁\共有30頁\編于星期三\12點主要內(nèi)容：結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)破壞結(jié)構(gòu)的局部失穩(wěn)、截面的分類結(jié)構(gòu)的塑性破壞、內(nèi)力塑性重分布結(jié)構(gòu)的疲勞破壞、損傷累積破壞和脆性斷裂破壞重點：結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)、局部失穩(wěn)結(jié)構(gòu)的塑性破壞、內(nèi)力重分布結(jié)構(gòu)的疲勞破壞第3

章鋼結(jié)構(gòu)的可能破壞模式當(dāng)前第3頁\共有30頁\編于星期三\12點§3.1

結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)破壞§3.2

結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的局部失穩(wěn)、截面分類§3.3

結(jié)構(gòu)的塑性破壞、應(yīng)(內(nèi))力重分布§3.4

結(jié)構(gòu)的疲勞破壞§3.5

結(jié)構(gòu)的損傷累積破壞§3.6

結(jié)構(gòu)的脆性斷裂破壞第3

章鋼結(jié)構(gòu)的可能破壞模式當(dāng)前第4頁\共有30頁\編于星期三\12點§3.1

結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)破壞3.1.1關(guān)于穩(wěn)定的概念3.1.2失穩(wěn)的類別3.1.3結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析的原則3.1.4鋼構(gòu)件的整體穩(wěn)定當(dāng)前第5頁\共有30頁\編于星期三\12點3.1.1關(guān)于穩(wěn)定的概念結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)破壞：作用在結(jié)構(gòu)上的外荷載尚未達到按強度計算得到的結(jié)構(gòu)破壞荷載時，結(jié)構(gòu)已不能承擔(dān)并產(chǎn)生較大的變形，整個結(jié)構(gòu)偏離原來的平衡位置而倒塌。當(dāng)前第6頁\共有30頁\編于星期三\12點3.1.1關(guān)于穩(wěn)定的概念穩(wěn)定性的定義：結(jié)構(gòu)在荷載作用下處于平衡位置，微小外界擾動使其偏離平衡位置，若外界擾動除去后：仍能回復(fù)到初始平衡位置——穩(wěn)定的不能回復(fù)到初始平衡位置，且偏離越來越遠(yuǎn)——不穩(wěn)定的不能回復(fù)到初始平衡位置，但停留在新的平衡位置——臨界狀態(tài)

(隨遇平衡)強度問題是應(yīng)力問題；穩(wěn)定問題是要找出作用與結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力之間的不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，即變形開始急劇增長的狀態(tài)，屬于變形問題。

當(dāng)前第7頁\共有30頁\編于星期三\12點3.1.2失穩(wěn)的類別1.歐拉屈曲（第一類失穩(wěn)、分枝型失穩(wěn)）——屈曲荷載或歐拉臨界荷載在臨界狀態(tài)前，結(jié)構(gòu)保持初始平衡位置，在達到臨界狀態(tài)(屈曲)時，結(jié)構(gòu)從初始的平衡位置過渡到無限臨近的新平衡位置，平衡狀態(tài)出現(xiàn)分岔。如：理想的軸壓直桿的屈曲。分枝型失穩(wěn)原始平衡

臨界平衡

當(dāng)前第8頁\共有30頁\編于星期三\12點※失穩(wěn)的類別※2.極值型失穩(wěn)（第二類失穩(wěn)、壓潰）——失穩(wěn)極限荷載或壓潰荷載沒有平衡分岔現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)變形隨荷載的增加而增加，直到結(jié)構(gòu)不能承受增加的外荷載。如：壓彎桿件的失穩(wěn)。極值型失穩(wěn)壓彎桿件當(dāng)前第9頁\共有30頁\編于星期三\12點※失穩(wěn)的類別※3.屈曲后極值型失穩(wěn)——屈曲后強度開始有平衡分岔現(xiàn)象，但屈曲后并不立即破壞，有較顯著的屈曲后強度，能繼續(xù)承載，直到極值型失穩(wěn)。如：薄壁構(gòu)件中的受壓翼緣板、腹板。屈曲后極值型失穩(wěn)當(dāng)前第10頁\共有30頁\編于星期三\12點※失穩(wěn)的類別※4.有限干擾型失穩(wěn)（不穩(wěn)定分岔屈曲）與屈曲后極限型失穩(wěn)相反，結(jié)構(gòu)屈曲后承載力迅速下降，若結(jié)構(gòu)有初始缺陷時將不會出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象而直接進入承載力較低的極值型失穩(wěn)。如：承受軸向荷載圓柱殼的失穩(wěn)。有限干擾型失穩(wěn)均勻受壓圓柱殼

當(dāng)前第11頁\共有30頁\編于星期三\12點※失穩(wěn)的類別※5.跳躍型失穩(wěn)結(jié)構(gòu)由初始平衡位置突然跳到另一個平衡位置，在跳躍過程中出現(xiàn)很大的位移。如：承受橫向均布壓力的球形扁殼。跳躍型失穩(wěn)均布荷載作用下的坦拱當(dāng)前第12頁\共有30頁\編于星期三\12點3.1.3結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析的原則(2)材料非線性的影響：

彈性→

彈塑性→

穩(wěn)定的雙非線性分析(3)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的初始缺陷：包括構(gòu)件的初彎曲、初偏心、幾何偏心以及殘余應(yīng)力等。(1)幾何非線性的影響：①位移和轉(zhuǎn)角均較小，但考慮結(jié)構(gòu)變形對外力效應(yīng)的影響—二階分析，如鋼構(gòu)件、框架及鋼拱的整體穩(wěn)定分析；②轉(zhuǎn)角較小但考慮大位移，鋼框架同時考慮構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定分析；③大位移大轉(zhuǎn)角的非線性分析，如網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、板件的屈曲后強度分析。當(dāng)前第13頁\共有30頁\編于星期三\12點3.1.4鋼構(gòu)件的整體穩(wěn)定軸壓構(gòu)件：彎曲失穩(wěn)、扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)、彎扭失穩(wěn)受彎構(gòu)件：彎扭失穩(wěn)壓彎構(gòu)件：截面單軸對稱——彎曲失穩(wěn)(彎矩作用平面內(nèi))

彎扭失穩(wěn)(彎矩作用平面外)

截面雙軸對稱——彎扭失穩(wěn)(彎矩作用平面內(nèi)、外)框架和拱：彎曲失穩(wěn)(框架或拱平面內(nèi))

彎扭失穩(wěn)(框架或拱作用平面外)當(dāng)前第14頁\共有30頁\編于星期三\12點§3.2

結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的局部失穩(wěn)、截面分類3.2.1局部失穩(wěn)的概念3.2.2局部與整體相關(guān)穩(wěn)定3.2.3截面的分類問題當(dāng)前第15頁\共有30頁\編于星期三\12點在保持整體穩(wěn)定的條件下，結(jié)構(gòu)中的局部構(gòu)件或構(gòu)件中的板件已不能承受外荷載而失去穩(wěn)定。受壓板件的失穩(wěn)是屈曲后極值失穩(wěn)，板件屈曲后仍有較大的承載能力進入屈曲后強度階段。局部失穩(wěn)后仍有屈曲后強度的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，雖能繼續(xù)承載，但其整體失穩(wěn)時的極限承載力將受到局部失穩(wěn)而降低。3.2.2局部與整體相關(guān)穩(wěn)定3.2.1局部失穩(wěn)的概念A(yù)BCDEFGbABCDEFOP當(dāng)前第16頁\共有30頁\編于星期三\12點3.2.3截面的分類問題

局部失穩(wěn)的屈曲荷載與板件的寬厚比有關(guān)。按寬厚比分為四類：第1類：寬厚比最小，即使受彎形成塑性鉸并發(fā)生塑性轉(zhuǎn)動時，仍不會局部失穩(wěn)——塑性設(shè)計截面(特厚實截面)第2類：受彎形成塑性鉸但不發(fā)生塑性轉(zhuǎn)動時，仍不會局部失穩(wěn)——彈塑性設(shè)計截面(厚實截面)第3類：受彎并當(dāng)邊緣纖維達到屈服點時，板件不會局部失穩(wěn)——彈性設(shè)計截面(非厚實截面)第4類：受彎時局部失穩(wěn)，應(yīng)利用屈曲后強度進行設(shè)計——超屈曲設(shè)計截面(纖細(xì)截面或薄柔截面)當(dāng)前第17頁\共有30頁\編于星期三\12點§3.3

結(jié)構(gòu)的塑性破壞、應(yīng)(內(nèi))力重分布3.3.1結(jié)構(gòu)的塑性破壞3.3.2應(yīng)力塑性重分布3.3.3內(nèi)力塑性重分布當(dāng)前第18頁\共有30頁\編于星期三\12點3.3.1結(jié)構(gòu)的塑性破壞受拉構(gòu)件破壞過程：在桿系結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的強度破壞都由受拉或受彎構(gòu)件的強度破壞所引起，受壓構(gòu)件一般發(fā)生失穩(wěn)破壞。在不發(fā)生整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)的條件下，內(nèi)力隨荷載的增加而增加，當(dāng)截面內(nèi)力達到截面的承載力并使結(jié)構(gòu)形成機構(gòu)時，結(jié)構(gòu)就喪失承載力而破壞，稱為結(jié)構(gòu)的強度破壞。首先拉應(yīng)力達到屈服點其次，構(gòu)件進入塑性變形，明顯伸長隨后材料進入強化階段最后，達到抗拉強度后，構(gòu)件拉斷受彎構(gòu)件破壞過程：首先受拉邊緣應(yīng)力達到屈服點其次，構(gòu)件進入彈塑性受力階段，形成塑性鉸隨后發(fā)生塑性轉(zhuǎn)動，內(nèi)力重分布，相繼出現(xiàn)塑性鉸最后，形成機構(gòu)而倒塌破壞結(jié)構(gòu)強度破壞時會出現(xiàn)明顯得變形，因此又稱為塑性破壞(延性破壞)。純粹的強度破壞很少。因破壞過程中的明顯變形將引發(fā)其它類型的破壞發(fā)生。

當(dāng)前第19頁\共有30頁\編于星期三\12點殘余應(yīng)力：

鋼結(jié)構(gòu)在軋制、冷加工和焊接制作過程中都會在構(gòu)件截面產(chǎn)生應(yīng)力，一般是自相平衡的內(nèi)力。但有時數(shù)值很大，甚至達到屈服點。3.3.2應(yīng)力塑性重分布應(yīng)力集中：

在開孔或截面改變處出現(xiàn)，其最大應(yīng)力比不考慮應(yīng)力集中時的數(shù)值大得多，甚至達到幾倍。當(dāng)前第20頁\共有30頁\編于星期三\12點※應(yīng)力塑性重分布※在靜態(tài)荷載和塑性破壞情況下，殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中現(xiàn)象不會影響構(gòu)件的強度。但對構(gòu)件的失穩(wěn)破壞、脆性斷裂和疲勞破壞都有明顯影響。

應(yīng)采取措施減少殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中現(xiàn)象。在應(yīng)力達到屈服點時，因流幅的存在，不均勻應(yīng)力將逐漸趨向均勻，最終出現(xiàn)應(yīng)力塑性重分布現(xiàn)象。無論受彎還是受拉構(gòu)件，只要鋼材具有足夠塑性，最終將形成塑性鉸，達到各自的極限應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)前第21頁\共有30頁\編于星期三\12點受彎構(gòu)件的強度破壞常以截面形成塑性鉸為破壞標(biāo)志。在超靜定結(jié)構(gòu)中，利用結(jié)構(gòu)的延性特征，常以相繼出現(xiàn)多個塑性鉸直至形成機構(gòu)作為結(jié)構(gòu)承載能力的極限狀態(tài)。設(shè)計時利用了塑性性能——塑性設(shè)計。3.3.3內(nèi)力塑性重分布如能保證結(jié)構(gòu)只發(fā)生強度延性破壞，即可用塑性設(shè)計對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并能達到明顯得經(jīng)濟效益。當(dāng)前第22頁\共有30頁\編于星期三\12點§3.4

結(jié)構(gòu)的疲勞破壞3.4.1疲勞破壞現(xiàn)象3.4.2影響疲勞破壞的因素3.4.3疲勞強度的確定3.4.4幾種情況的處理3.4.5提高疲勞強度和疲勞壽命的措施3.4.6出現(xiàn)疲勞裂縫后結(jié)構(gòu)剩余壽命的估計當(dāng)前第23頁\共有30頁\編于星期三\12點3.4.1疲勞破壞現(xiàn)象鋼結(jié)構(gòu)和鋼構(gòu)件的疲勞破壞不同于鋼材的疲勞破壞。鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的初始缺陷成為疲勞破壞裂紋的起源，其破壞階段分為裂紋的擴展和最后斷裂兩個階段。3.4.2影響疲勞破壞的因素應(yīng)力集中——主要因素內(nèi)在缺陷非焊接結(jié)構(gòu)：表面缺陷，軋制、切割、冷加工等過程產(chǎn)生的微裂紋以及螺栓孔等焊接結(jié)構(gòu)：焊縫的外形及其缺陷，如氣孔、咬邊、夾渣、焊接裂紋、起弧和滅弧處的不平整等殘余應(yīng)力所處的環(huán)境：在有腐蝕性介質(zhì)環(huán)境中，疲勞裂紋的擴展速率會受到不利影響當(dāng)前第24頁\共有30頁\編于星期三\12點3.4.3疲勞強度的確定

對于焊接結(jié)構(gòu)：名義應(yīng)力循環(huán)特征ρ＝σmin/σmax

不能代表疲勞裂縫處的應(yīng)力狀態(tài)。原因：焊縫附近存在著很大的焊接殘余拉應(yīng)力實際應(yīng)力狀態(tài)：從受拉屈服點fy開始變動一個應(yīng)力幅Δσ＝σmax-σmin

焊接連接或焊接構(gòu)件的疲勞強度直接與Δσ有關(guān)，而與ρ的關(guān)系不大。Δσ是控制疲勞破壞循環(huán)次數(shù)最主要的應(yīng)力變量。當(dāng)前第25頁\共有30頁\編于星期三\12點※疲勞強度的確定※對于焊接結(jié)構(gòu)和常幅應(yīng)力循環(huán)情況：3.4.4幾種情況的處理非焊接結(jié)構(gòu)：殘余應(yīng)力的影響：ρ≥0時，影響不大；

ρ<0時，影響明顯。調(diào)整的應(yīng)力幅準(zhǔn)則：焊接部位：α=1.0；非焊接部位：α=0.7當(dāng)前第26頁\共有30頁\編于星期三\12點3.4.4幾種情況的處理非常幅應(yīng)力循環(huán)情況：

線性累積損傷準(zhǔn)則(Miner準(zhǔn)則)：3.4.5提高疲勞強度和疲勞壽命的措施提高疲勞強度——在疲勞破壞循環(huán)次數(shù)給定情況下，提高應(yīng)力幅的值提高疲勞壽命——在應(yīng)力幅的值給定情況下，提高疲勞破壞循環(huán)次數(shù)Δσ給定時，提高疲勞壽命的方法：減少初始缺陷：

a1→a0，增加ΔN1次延遲瞬間斷裂到C點：

B→C，增加ΔN2次當(dāng)前第27頁\共有30頁\編于星期三\12點※提高疲勞強度和疲勞壽命的措施※減少應(yīng)力集中，也能提高疲勞壽命：構(gòu)造細(xì)節(jié)合理設(shè)計，盡可能減少應(yīng)力集中；嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，減小初始裂紋尺寸；除去對接焊縫表面余高部分，打磨角焊縫焊趾或端部，減少應(yīng)力集中的程度。3.4.6出現(xiàn)疲勞裂縫后結(jié)構(gòu)剩余壽命的估計線彈性斷裂力學(xué)理論分析：當(dāng)前第28頁\共有30頁\編于星期三\12點§3.5

結(jié)構(gòu)的損傷累積破壞當(dāng)前第29頁\共有30頁\編于星期三\12點※結(jié)構(gòu)的損傷累