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1、第19卷第2期云南交通科技Vol.19.No.22003年4月TheCommunicationScienceandTechnologyinYunnanApr.2003钢结构断裂与能量的关系靳宇新(云南交通职业技术学院,云南昆明,650101)摘要:断裂是工程中的普遍现象,原因多种多样,裂缝的扩展遵循什么规律,如何控制裂缝是工程师们所关注的问题。这里以能量法的角度对断裂原因进行探讨分析。关健词:裂缝的产生;裂缝扩展准则;断裂控制结构的破坏,总是与裂纹、断裂密切相关,设计和施工过程中控制裂缝的产生与扩展,是1裂缝
2、的产生保证工程质量的一个前提条件。近年来,我国的裂缝的存在和产生有两种形式:一种是结工程建设始终贯彻中央提出的“百年大计,质量构材料中自身就存在有裂缝。在一切焊接中,即第一”的方针,在体制过程中,认真执行《国务院使在检查和修补焊接点后还会有裂缝。大多数关于进一步加强工程质量工作的决定》加强工裂缝不仅在钢本身的生产过程中已经形成,而程质量的监管和综合治理,要求从法规,经济、且在构件相互连接过程中(如冲孔,钻孔,焊接技术、行政等方面采取措施,狠抓工程质量,实等)也会形成裂缝。虽然良好的制配和检查可以现工程质量的振
3、兴。当然,工程质量的问题涉及限制它们的大小,但是,即使是这些微小的裂缝到诸多方面的因索,这里仅从技术方面对钢结(多孔性,趾部裂纹,熔解不够等),经过疲劳扩构中的断裂现象作一些理论和实验上的分析探展,也可能达到临界尺寸。通常情况下,断裂的讨。产生是由于构件的某些部位,在荷载作用下所钢结构是工程中常采用的一种形式,广泛产生的应力达到了材料的极限应力而造成的。应用在桥梁,桁架,组合结构等建筑结构中,尤其随着设计的越来越复杂,钢结构的脆性断裂2裂缝的起裂和扩展准则也正成为一个普遍的现象,断裂破坏还将可能对于破坏中裂缝
4、的起裂和扩展准则,在断继续增加;如高强度的厚板焊接取代了薄板铆裂力学的文献中有诸多的分析,二十世纪初,接钢板;工程师选择制配和安装方法使造价降Ludwik曾引进了一个单位体积吸收的能量型式至最低;使用计算机设计引起安全系数降低的指标,但这从来没有被广泛地采用过。后来,等。这些因素都可能造成结构断裂,对于钢结构Matthaes证明了用单位体积吸收的能量,可以作的断裂原因,裂缝的起裂和扩展准则。我们是否为材料力学某些性能的性质。论证了扩展裂缝可以从另一种不同于现代教科书的理论观点去的准则是单位体积所吸收的能量达到
5、材料特征认识它呢?的一个临界值。如此定义的断裂比能就是裂缝收稿日期:2003-01-08第2期靳宇新钢结构断裂与能量的关系·31·扩展的准则,这与线弹性断裂力学的出发点稍变量:V表示与能量有关的体积。按照图l,在一有区别,最初断裂力学仅用于高强度材料,对于拉伸试样颈缩区域中选择一横截面为A,长度为屈服强度较低的钢材,一般不采用线弹性力学l的体积,将这体积代入方程(1),考虑方程:F1A0的概念,它总是研究裂缝体的,这里则认为,在σ=(2)ε=1=1n=(3)A10A中低强度的钢材中,扩展裂缝的起裂是支配着图2
6、是以真实应力和真实应变为坐标而绘断裂的过程的。没有裂缝的材料直到断裂时所出的一种钢材的拉伸图。若单元体选在断裂的吸收的能量只与体积有关,而与表面积无关。横截面处,断裂时的应变cf按方程(3)确定后,在0—εb区间内的积分,则是直到断裂时所吸收εF3拉伸试验确定断裂比能(单位体积吸收的能量)的比能,其表示式为:Wc=∫0σ.dε(4)方程(4)在变形的过程中,单位体积吸收的能量是:表明单位体积吸收的能量是在真实应力和真实Fd1Fd1W=∫=∫=∫σdε(1)应变为坐标的拉伸图是所围的面积,它是一个VA1式中,F
7、是力,dl表示所选试样测量长度的与扩展裂纹起裂有关的一个临界值。图l确定单位体积的能量图2普通碳钢的真实应力应变图确定断裂比能的方法必须绘制真实的应力在拉伸试验时,不同材料中裂纹的起裂和扩展应变图。这里需要说明的是:真实的应力应变图方面的超声波和显微镜研究的文章,他们完全与通常材料力学中的应力应变图有一定区别支持这种观点,在拉伸试验中,断裂将随裂纹的,材料力学中的应力应变图绘制是以横截面的扩展而发生。他们的资料中指出:在裂纹扩积不变为前提条件的,而真实的应力应变图的展以后,对于剪切唇所消耗的能量可以忽略不绘制
8、需要在拉伸试验过程中,依次测量试样的计。所以,直到断裂时,单位体积所吸收的能瞬时最小的横截面,同时在颈缩时的应力后,真量近似地与直到裂纹扩展开始所吸收的能量相实应力与自然应变的关系实际上是线性的。采同。为了证实裂纹扩延准则Havas早期使用了用这样的公试计算断裂比能是比较方便的,它含碳量为C=0.35%有碳钢,进行了应力幅度的数据可以从拉伸图上得到,应变形式的量可的疲劳试验。低周期循环疲劳试验的试样
