钢结构的疲劳破坏

2023-05-29 09:34 陕西钢结构 华邦建设

　　钢材在持续反复荷载下，虽然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，剧烈的地震使钢结构反复摇摆等。

　　钢材在疲劳破坏之前，并没有明显变形，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。

　　一般的说，疲劳破坏经历三个阶段：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小，不可避免地在钢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”。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，钢材的疲劳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将会导致应力集中。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。

　　对于钢结构的应力集中而言，在静力荷载作用下，其高峰应力常因钢材的塑性发展而相对减少，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，常是使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、起弧和灭弧处的不平整、焊接裂纹等等。

　　除此之外，还有结构和构件中的残余应力以及结构和构件所处的环境等都会对其疲劳强度造成影响。在腐蚀性介质的环境中，疲劳裂纹扩展的速率会受到不利的影响。

　　由于影响疲劳强度的因素如此众多，且又交织在一起，因此很难从理论上分析这些因素对疲劳强度的影响。目前都采用实验手段，有时也辅以断裂力学的理论成果加以分析。

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