钢结构疲劳破坏影响因素综述

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1、钢结构疲劳破坏影响因素综述【摘要】文章就影响钢材疲劳强度的因素展开叙述，讨论了钢材化学成分、外加工、残余应力及外部载荷对疲劳的影响，得出关于钢材选择需注意的一些事项。【关键词】疲劳，残余应力，应力集中，应力幅前言钢材在持续反复荷载作用下，虽然其应力远低于强度极限，甚至还低于屈服极限，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。当温度变化导致应力变化时，也会出现结构疲劳问题。1、疲劳破坏的过程一般地说，疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成

2、，裂纹的缓慢扩裂纹的迅速断裂。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，不可避免地在结构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欠焊，这些缺陷都是可能产生裂源的主要部位，这些缺陷本身就起着类似于微裂纹的作用，故也可称其为“类裂纹”。当重复连续荷载作用时，在这些部位的截面上应力分布不均，引起应力集中现象，在高峰应力处将首先出现微观裂纹。同样，有严重的应力集中的部位，如截面几何形状突然改变处

3、，由于存在高峰应力，又经受多次重复作用的影响，故即使在该处没有存在缺陷，也会产生微观裂纹，形成裂纹源。随着应力循环次数的增加，裂纹大体上以同心圆的形式从表面的裂源向内部逐渐扩展，扩展十分缓慢，当构件应力较小时，扩展区所占范围较大，而当构件应力很大时，扩展区就比较小。由于疲劳裂纹两边的表面在循环应力作用下，时而分开时而压紧，起研磨的作用，因而扩展区的表面光滑，而且是愈近裂源愈光滑。当裂纹源发展成为宏观裂纹时，削弱了构件截面的有效面积。当截面有效面积小到难以承受荷载时，在偶尔的振动或冲击下即发生突然拉断2、疲劳破坏的影响因素2.1化学成分对疲劳的影响碳在碳素钢中是仅次于铁（Fe）的重要元

4、素，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性。碳含量增加，钢的强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度下降。磷和硫（其中特别是硫）是钢材中的有害成分，它们显著降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。同时硫可使钢材发生热脆现象，磷可以使钢材发生冷脆现象。硫使钢材易出现层间撕裂现象，在反复荷载作用下钢材易出现裂纹，疲劳强度降低。2.2残余应力对疲劳的影响可以产生残余应力的因素很多，钢材的热处理、冷加工、焊接、焰割都可以在钢材中产生残余应力。前文已叙述过，疲劳裂纹的起源经常在焊趾和焊缝内部的缺陷。在焊接构接中，焊接部位一般都有较大的焊接残余应力，包括残余拉应力，其峰值常可接近或迗到钢材的屈服强度。

5、当构件承受外部循环拉应力的作用时，焊缝处截面上实际应力将是荷载引起的应力与其残余应力的叠加，其应力幅与外荷载的应力幅相等，而的应力幅又决定于外部循环荷载，只要外部循环荷载已定出，外荷载的应力幅就不会改变。因此在焊缝位置的疲劳是在等应力幅下不同应力水平的疲劳。残余压应力（负值）可以提高疲劳寿命，而残余拉应力（正值）减少疲劳寿命。从定性分析可知，当残余拉应力极大时，钢材内部在荷载作用下极易产生微裂纹，裂纹上的应力集中现象严重，截面削弱严重，疲劳断裂自然就容易发生。层间撕裂，疲劳强度极低。在有腐蚀环境中工作的构件，其选材时要注重钢材的耐腐性，但钢材的耐腐性都不强，一般都要通过其他防腐手段来

6、保护钢材。4、结束语通过对疲劳现象的总结分析可知，疲劳的根源是应力集中。材料内部微小缺陷会形成裂纹或起着裂纹的作用，在外部荷载的作用下，在裂纹处产生应力集中，材料的有效截面被削弱，当截面提供的抗力不可抵抗外力时就会发生断裂。在影响材料疲劳的因素中内因是材料自身化学成分、内部微缺陷及残余应力，外因是应力幅和环境因素（主要是腐蚀介质）。所以在选材时就要针对上述原因去合理选择材料，做到既安全又不浪费。参考文献：[1]中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范（GB50017—2003）.北京：中国建筑工业出版社，2003[2]《钢结构设计规范》应用讲解.北京：中国计划出版社，2003[3]陈绍

7、蕃.钢结构设计原理（第三版）.北京：科学出版社，2005[4]魏明钟.钢结构（第二版）.武汉：武汉理工大学出版社，2004[5]陈绍蕃.现代钢结构设计师手册.北京：中国电力出版社，2006