考虑低温冷脆钢结构构件的实用简化设计方法.doc

《考虑低温冷脆钢结构构件的实用简化设计方法.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、考虑低温冷脆钢结构构件的实用简化设计方法王元清冯宝锐石永久（清华大学土木工程系结构工程与振动教育部重点实验室北京）武延民(中冶京诚工程技术公司北京)摘要在结构钢材往往在远未达到屈服应力的情况下发生脆性断裂。通过对结构钢材构件裂纹尖端张开位移（CTOD）的研究，提出基于CTOD指标的低温下考虑冷脆效应的钢结构构件简化设计方法。该方法属于分级设计方法，以考虑裂纹扩展而提高部分的最大承载能力作为构建的承载力，并研究构件温度和厚度对结构钢材断裂韧性的影响，计算得到各种温度和厚度的情况下的强度折减系数，最后给

2、出利用此简化设计方法计算的设计算例。关键词结构钢材低温脆性断裂设计方法1概述为了防止钢结构在工作中尤其是在低温的条件下的脆性破坏，提出以中钢结构低温下防脆断的实用设计方法具有重要的现实意义。目前，我国的《钢结构设计规范》（GB50017—2003）仍是通过控制钢材的冲击韧性指标对钢结构的低温断裂进行控制，无法对低温脆性断裂的发生进行准确的计算，存在着不合理的地方。对于钢结构来说，低温断裂设计即是在传统的强度设计基础上进行防断裂的校核设计，因此只有某些条件下（如温度、厚板）的钢结构才需要进行，并且裂纹

3、只在拉应力下才会扩展，因此只是应用于存在拉应力的部位。本文将基于我国结构常用钢材的断裂性能特点，在大量试验研究和理论分析的基础上，提出一种较为简便易用的低温断裂的实用设计方法，并对应用此设计方法的基本步骤进行详细介绍。2简化设计方法的基本思本文提出3等级的钢结构低温防断裂设计方法。即：对无实际裂纹构件采取0级和1级的设计，而对含市级裂纹构件采取2级设计。2.1无实际裂纹好、构件的第0级和第1级设计计算时认为钢构件中存在着一个假想尺寸的裂纹a。该裂纹由设计施工存在的技术缺陷，如应力集中、焊接残余应力、

4、焊接缺陷、机加工的局部硬化、微裂纹等引起。应根据该假想尺寸的裂纹对构件进行低温断裂设计。由于裂纹的尺寸已经确定，所以可以吧基于CTOD的断裂公式转换为强度折减的方法进行计算。在第1级的基础上可以进一步引申出第0级设计，即不需要考虑构件断裂的情况。第1级的钢结构断裂设计采用与强度设计相同的形式，为：σmax≤βf（1）其中：f=fυ∕γυ，为抗脆断强度设计值，参考前苏联相关规范。γυ取1.3；β为折减系数。当环境温度较高、试样较薄或者钢材的韧性较好时，在假想缺陷尺寸的情况下计算出的折减系数大于1，此时

5、即为不需要考虑断裂设计的情况。对不同的材料可以计算出折减系数为1时的温度和厚度条件，当结构的温度和厚度处于临界条件的左侧时不需要考虑脆性断裂，如图1所示。2.2含实际裂纹构件的第2级设计而第2级则是针对含有实际裂纹的构件进行设计时采用的。根据外荷载计算裂纹的的张开位移对构件的安全性进行判断。应满足式（2）的条件：式中：δΔa为考虑裂纹扩展量后原始裂纹尖端的张开位移；δm为钢材最大载荷下的CTOD值。3钢结构低温断裂简化设计方法3.1裂纹尖端张开位移的设计曲线裂纹尖端张开位移的设计曲线参与我国的压力容

6、器缺陷评定规范，其中CVDA—84采用了裂纹尖端张开位移作为判据指标，虽然SAPV—95提出较新，但仍采用了英国R6规范的缺陷评定图（FAD）的形式，其设计方法也采用由CVDA—84的裂纹尖端张开位移转换为J积分的形式，所以本文提出的设计曲线在CVDA—84的基础上提出。钢结构的设计首先要满足强度设计要求，即构建内的盈利基本上小于钢材的屈服应力。不考虑裂纹扩展时裂纹尖端张开位移的数值为：式中：为钢材的屈服应力，为裂纹长度。通过计算研究，可以得到此值与裂纹扩展量呈正比，并且与荷载的大小有关。从设计安全

7、的角度出发，并且与荷载的大小有关。从设计安全的角度出发，可以取斜率最大的直线作为设计时的直线。因此裂纹尖端张开位移的曲线为：式中：△α为裂纹扩展量，mm。3.2假想裂纹长度的取法参考“规范“（GB50017—2003）对钢构件类别的取法。断裂设计中把构件的类别分为8类。第8类是最容易发生脆性断裂的构件，内部假想裂纹的长度为板厚t。对于其他7类的假想裂纹尺寸则相应折减，折减方法如下：不同类别的构件，疲劳分析时对应于次的容许应力幅值不同，从Paris公式可以知道，疲劳裂纹的扩展速率与裂纹尖端的盈利强度因

8、子幅值相关。因此可以假设不同构件的容许应力幅值不同是由于内部缺陷尺寸的不同造成的，而对应于裂纹尖端的应力强度因子幅值大小是相同的。则应力强度因子幅值的计算公式为：由式（5）可以得出，构件内部裂纹的尺寸与容许应力幅值[Δσ]的平方成反比，即有：根据式（6）计算出的不同类别构件的假想裂纹长度如表1所示。表1不同类别构件对应的容许应力幅值和假想裂纹长度低温断裂设计的构件类别包括了疲劳设计相应的构件类别。前苏联的谢里拉斯维托洛夫总结出的6中低冷脆性结构类型也已经包括在前述的8