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钢结构设计:钢结构抗疲劳设计
钢材在持续反复荷载作用下,在其应力远低于强度极限,甚至还低于屈服极限的情况下,也会发生破坏,这种“积劳成疾”的现象称为钢材的疲劳。
 
能够导致钢结构疲劳的荷载是动力的或循环性的活荷载,如桥式吊车对吊车梁的作用,车辆对桥梁的作用,海浪对海洋结构的作用,剧烈的地震使结构物反复摇摆等。过去土建钢结构考虑疲劳计算主要是对铁路桥梁,但是,随着焊接结构的发展,疲劳破坏也有增无减,焊接吊车疲劳破坏时有发生,焊接公路钢桥的疲劳破坏也屡见不鲜。

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钢材在疲劳破坏之前,并没有明显变形;疲劳破坏是一种突然发生的断裂,断口平直。所以疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性破坏。
 
一般地说,疲劳破坏经历3个阶段,即裂纹的形成,裂纹的缓慢扩展,裂纹的迅速断裂。对于钢结构,实际上只有后两个阶段,因为在钢材生产和结构制造等过程中,不可避免地在结的某些部位存在着局部微小缺陷,如钢材化学成分的偏析、非金属杂质;非焊接构件表面上的刻痕、轧钢皮的凹凸、轧钢缺陷和分层以及制造时的冲孔、剪边、火焰切割带来的毛边和裂纹;焊接构件中有焊渣侵入的焊缝趾部、存在于焊缝内的气孔与欠焊,这些缺陷都是可能产生裂纹的主要部位,它们本身也起着类似于微裂纹的作用,故可称其为“类裂纹”。应力集中可以使个别晶粒很快出现塑性变形及硬化等,从而大大降低了钢材的疲劳强度。由此可见,钢材的疲破坏首先是由于钢材内部结构不均匀(微小缺陷)和应力分布不均所引起的。
 
钢结构构件中存在的几何改变、微观裂纹或类似的缺陷会导致应力集中。在多次反复荷载作用下,微观裂纹不断开展,应力集中现象也会越来越严重。当荷载反复循环达到一定次数(疲劳寿命)n时,裂纹扩展使得净截面承载力不足以承受外力作用时,构件突然断裂,发生疲劳破坏。
 
钢结构中一般的应力集中,在静力荷载作用下,常因钢材的塑性发展其高峰应力相对减小,较低应力部位的应力增大,故使截面的不均匀应力趋于均匀,因而不影响截面的极限承载力,设计时可不考虑其影响。但较严重的应力集中,在高峰应力区域内总是存在着较大的应力场,使钢材的塑性变形困难而出现脆性断裂,特别是在动力荷载作用下,常是结构发生疲劳破坏的重要原因。
 
在钢结构和钢构件中,产生应力集中的原因极为复杂。钢结构和钢构件在截面改变处都会产生应力集中,如构件之间的连接节点、柱脚、构件的变截面处以及截面开孔等削弱处。此外,对于非焊接结构,有钢材表面的凹凸麻点、刻痕,轧钢时的夹渣、分层,切割边的不平整,冷加工产生的微裂纹以及螺栓孔等等;对于焊接结构还有焊缝外形及其缺陷,缺陷包括气孔、咬肉、夹渣、焊根和灭弧处的不平整、焊接裂纹等等。
 
钢材的疲劳强度与反复荷载引起的应力种类(拉应力、压应力、剪应力和复杂应力等)、应力循外形式、应力循环次数、应力集中程度和残余应力等有着直接关系。除此之外,结构和构件所处的环境等也都会对其疲劳强度造成影响。在腐蚀性介质环境中,疲劳裂纹扩展的速率会受到不利的影响要加快。
文章类别:技术培训  发布者:网站编辑   发布日期:2017-12-2
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