鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞是指什么現(xiàn)象(導(dǎo)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)：1110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(fù)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(fù)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(jī)疲勞失事事故,人們從一系列的災(zāi)難性事放中,逐漸認(rèn)識到疲勞破壞的嚴(yán)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(jī),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(fù)交變荷載作用下在應(yīng)力遠(yuǎn)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(xué)的觀點而言,疲勞破壞是從裂紋起始,擴(kuò)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(fù)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(kuò)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(kuò)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(dāng)構(gòu)件截面因裂縫擴(kuò)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(fù)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(yīng)力集中等。
自1972年里海大學(xué)J.W.Fisher提出疲勞設(shè)計新概念至今，各國普遍公認(rèn),影響鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞的主要因素是應(yīng)力幅,構(gòu)造細(xì)節(jié)和循環(huán)次數(shù),而與鋼材的靜力強度和最大應(yīng)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(yīng)力集中對鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能影響顯著,而構(gòu)造細(xì)節(jié)是應(yīng)力集中是應(yīng)力集中產(chǎn)生的根源。構(gòu)造細(xì)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(yīng)；
（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(yīng)力、不均勻沉降等產(chǎn)生的附加應(yīng)力集中。
對構(gòu)件細(xì)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(yīng)力集中影響的無連接處的主體金屬,第八類則為應(yīng)力集中最嚴(yán)重的角焊縫。
由疲勞性能的三個影響因素來看,應(yīng)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(yīng)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(yīng)嚴(yán)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(yīng)力等減小到最低程度。
4.精心施工。避免附加應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)由明顯刻痕。
（3)對于角焊縫的趾部,用氣體保護(hù)鎢弧重新熔化,可以起到消除切口的作用。此方法在不同應(yīng)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(yīng)力,是改善疲勞性能的一個有效方法。殘余壓應(yīng)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(dá)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(zhǔn)則。
1、無限壽命設(shè)計
這是一種最保險的方法。采用此準(zhǔn)則設(shè)計的許用應(yīng)力必須低于疲勞極限。因應(yīng)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(zhǔn)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(zhǔn)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(yù)期壽命,再引入安全系數(shù)以達(dá)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(yù)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(zhǔn)則首先是在航空工程中發(fā)展起來的。它認(rèn)為裂紋可以出現(xiàn),但在整個裂紋被檢測和進(jìn)行修理前,所出現(xiàn)的裂紋不會導(dǎo)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(kuò)張速度較慢。此外,希望所設(shè)計的結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)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(yīng)力幅可以減去一倍標(biāo)準(zhǔn)差,而不是常規(guī)的兩倍標(biāo)準(zhǔn)差。
4.損傷一容限設(shè)計
損傷一容限設(shè)計準(zhǔn)則是破損一安全設(shè)計的改進(jìn),此法首先是假定裂紋預(yù)先存在,再用斷裂力學(xué)的分析和試驗方法判斷裂紋足否擴(kuò)展到臨界尺寸,以致造成破壞。此準(zhǔn)則適用于裂紋擴(kuò)展較慢并有高斷裂韌性的材料。
以上述四種設(shè)計準(zhǔn)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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