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1、8.2钢结构抗疲劳设计第八章钢结构的脆性断裂和疲劳8.1钢结构脆性断裂及其防止8.1钢结构脆性断裂及其防止8.1.1脆性断裂破坏从宏观上讲，脆性破坏的主要特征表现为断裂时伸长量极其微小，(例如生铁在单向拉伸断裂时为0.5%～0.6%)。如果结构的最终破坏是由于其构件的脆性断裂导致的，那么我们称结构发生了脆性破坏。对于脆性破坏的结构。几乎观察不到构件的塑性发展过程，往往没有破坏的预兆，因而破坏的后果经常是灾难性的。工程设计的任何领域，无一例外地都要求避免结构的脆性破坏(如在钢筋混凝土结构中避免设计超筋梁)，其道理就在于此。脆性断裂破坏大致可分为如下几类：①过载断裂：由于过
2、载，强度不足而导致的断裂。这种断裂破坏发生的速度通常极高(可高达2100m/s),后果极其严重。在钢结构中，过载断裂只出现在高强钢丝束、钢绞线和钢丝绳等脆性材料做成的构件。②非过载断裂：塑性很好的钢结构件在缺陷、低温等因素影响下突然呈现脆性断裂。8.1钢结构脆性断裂及其防止③应力腐蚀断裂：在腐蚀性环境中承受静力和准静力荷载作用的结构，在远低于屈服极限的应力状态下发生的断裂破坏称为应力腐蚀断裂。它是腐蚀和非过载断裂的综合结果。一般认为,强度越高则对应力腐蚀断裂越敏感。对于常见碳钢和低合金钢而言,屈服强度大于700Mpa时,才表现出对应力腐蚀断裂比较敏感。据一项1974年的
3、调查报告称,我国铁路桥梁的高强度螺栓在十几年间约有五千分之一发生了应力腐蚀断裂。此后采用20MnTiB钢和35VB代替40B钢,情况大有改善。④疲劳断裂与腐蚀疲劳断裂：在交变荷载作用下，裂纹的失稳扩展导致的断裂破坏称为疲劳断裂。疲劳断裂有高周和低周之分。循环周数在105以上者称为高周疲劳,属于钢结构中常见的情况。低周疲劳断裂前的周数只有几百或几十次,每次都有较大的非弹性应变。典型的低周破坏产生于强烈地震作用下。环境介质导致或加速疲劳裂纹的萌生和扩展称为腐蚀疲劳。8.1钢结构脆性断裂及其防止⑤氢脆断裂：氢可以在冶炼和焊接过程中侵入金属造成材料韧性降低而可能导致的断裂。焊条
4、在使用前需要烘干，就是为了防止氢脆断裂。历史上钢结构的非过载脆性破坏屡有发生。破坏时应力并未达到材料的抗拉强度，甚至还低于屈服点。尤其是在焊接结构大量取代铆接结构的过程中，脆断发生频率一度增高，其中不乏后果严重者。究其原因，有如下一些：⑴焊缝缺陷的存在，使裂纹萌生的概率增大。⑵焊接结构中的数值可观的残余应力，作为初应力场，与荷载应力场的叠加导致驱动开裂的不利应力组合。⑶焊缝连接通常使结构的刚度增大，结构的变形，包括塑性变形的发展受到更大的限制。尤其是三条焊缝在空间相互垂直时。8.1钢结构脆性断裂及其防止⑷焊缝连接使结构形成连续整体，没有止裂的构造措施,则可能一裂到底。⑸
5、对选材在防止脆性破坏中的重要性认识不足。除此之外，对于大型复杂结构、工作条件恶劣(如海洋工程)的结构的认识不足等都是造成脆性破坏发生的因素。结构的脆性破坏经常在气温较低的情况下发生。处在低温的结构要选择高韧性的材料来避免脆性破坏发生。但是，如果处理不当，既便选用了高韧性材质，结构也可能发生脆性破坏。新的钢结构设计规范GB50017为此增加了一节“提高寒区结构抗脆断能力的要求”,对有关构造与施工问题做出了规定。8.1钢结构脆性断裂及其防止8.1.2脆性断裂的防止按照断裂力学理论，在弹性范围内，构件布置不出现非过载脆性断裂的条件是（8-1）式中KI--纹尖端的应力强度因子；
6、α--裂纹尺度；σ--裂纹尖端的应力：KIC--表征断裂性能的材料常数，称断裂韧性，KIC的测试方法见国家标准《金属材料平面应变断裂韧性试验方法》(GB/T4146-1984)。8.1钢结构脆性断裂及其防止为了防止脆性断裂,需要从三个方面入手：①正确选用钢材、使之具有足够的韧性。②尽量减小初始裂纹的尺寸,避免在构造处理中形成类似于裂纹的间隙。③注意在构造处理上缓和应力集中，以减小应力值。除此之外，结构形式也对防止脆性断裂有一定影响。1.钢材选择目前工程中常用冲击韧性作为材料韧性指标。因其试样截面一律用10mm*10mm,并不能完全反映厚板的真实韧性，但其试验简单易行,在
7、工程界有较多的应用试验。另外,提高冲击韧性的有效措施对提高断裂韧性也同样行之有效。国家标准《碳素结构钢》(GB700-88)和《低合金钢高强度结构钢》(GB/T1591-94)分别保证纵向取样的夏比V形缺口冲击功不低于27J和34J。8.1钢结构脆性断裂及其防止钢材的A,B,C,D分级就是依冲击韧性的要求设置的。一般的,公路钢桥和吊车梁在翼缘板厚度不超过40mm时,可以按所处最低温度加40℃级别要求,厚度超过40mm则适当降低冲击试样温度。钢材标准都未对厚板的韧性提供更高的保证。有鉴于此,设计重要的低温地区露天结构是,尽量避免用厚度大的钢
