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    鋼結構設計:鋼結構抗疲勞設計
    鋼材在持續反復荷載作用下,在其應力遠低于強度極限,甚至還低于屈服極限的情況下,也會發生破壞,這種“積勞成疾”的現象稱為鋼材的疲勞。
     
    能夠導致鋼結構疲勞的荷載是動力的或循環性的活荷載,如橋式吊車對吊車梁的作用,車輛對橋梁的作用,海浪對海洋結構的作用,劇烈的地震使結構物反復搖擺等。過去土建鋼結構考慮疲勞計算主要是對鐵路橋梁,但是,隨著焊接結構的發展,疲勞破壞也有增無減,焊接吊車疲勞破壞時有發生,焊接公路鋼橋的疲勞破壞也屢見不鮮。

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    鋼材在疲勞破壞之前,并沒有明顯變形;疲勞破壞是一種突然發生的斷裂,斷口平直。所以疲勞破壞屬于反復荷載作用下的脆性破壞。
     
    一般地說,疲勞破壞經歷3個階段,即裂紋的形成,裂紋的緩慢擴展,裂紋的迅速斷裂。對于鋼結構,實際上只有后兩個階段,因為在鋼材生產和結構制造等過程中,不可避免地在結的某些部位存在著局部微小缺陷,如鋼材化學成分的偏析、非金屬雜質;非焊接構件表面上的刻痕、軋鋼皮的凹凸、軋鋼缺陷和分層以及制造時的沖孔、剪邊、火焰切割帶來的毛邊和裂紋;焊接構件中有焊渣侵入的焊縫趾部、存在于焊縫內的氣孔與欠焊,這些缺陷都是可能產生裂紋的主要部位,它們本身也起著類似于微裂紋的作用,故可稱其為“類裂紋”。應力集中可以使個別晶粒很快出現塑性變形及硬化等,從而大大降低了鋼材的疲勞強度。由此可見,鋼材的疲破壞首先是由于鋼材內部結構不均勻(微小缺陷)和應力分布不均所引起的。
     
    鋼結構構件中存在的幾何改變、微觀裂紋或類似的缺陷會導致應力集中。在多次反復荷載作用下,微觀裂紋不斷開展,應力集中現象也會越來越嚴重。當荷載反復循環達到一定次數(疲勞壽命)n時,裂紋擴展使得凈截面承載力不足以承受外力作用時,構件突然斷裂,發生疲勞破壞。
     
    鋼結構中一般的應力集中,在靜力荷載作用下,常因鋼材的塑性發展其高峰應力相對減小,較低應力部位的應力增大,故使截面的不均勻應力趨于均勻,因而不影響截面的極限承載力,設計時可不考慮其影響。但較嚴重的應力集中,在高峰應力區域內總是存在著較大的應力場,使鋼材的塑性變形困難而出現脆性斷裂,特別是在動力荷載作用下,常是結構發生疲勞破壞的重要原因。
     
    在鋼結構和鋼構件中,產生應力集中的原因極為復雜。鋼結構和鋼構件在截面改變處都會產生應力集中,如構件之間的連接節點、柱腳、構件的變截面處以及截面開孔等削弱處。此外,對于非焊接結構,有鋼材表面的凹凸麻點、刻痕,軋鋼時的夾渣、分層,切割邊的不平整,冷加工產生的微裂紋以及螺栓孔等等;對于焊接結構還有焊縫外形及其缺陷,缺陷包括氣孔、咬肉、夾渣、焊根和滅弧處的不平整、焊接裂紋等等。
     
    鋼材的疲勞強度與反復荷載引起的應力種類(拉應力、壓應力、剪應力和復雜應力等)、應力循外形式、應力循環次數、應力集中程度和殘余應力等有著直接關系。除此之外,結構和構件所處的環境等也都會對其疲勞強度造成影響。在腐蝕性介質環境中,疲勞裂紋擴展的速率會受到不利的影響要加快。
    文章類別:技術培訓  發布者:網站編輯   發布日期:2017-12-2
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