高等钢结构--疲劳与断裂.docVIP

《高等钢结构原理》断裂与疲劳部分 学生作业 系 （所）：建筑工程系 学 号：1432055 姓 名：焦 联 洪 培养层次：专业硕士 2014年11月6日 1、防止焊接钢结构脆性断裂的基本措施 影响钢材脆断的直接因素有裂纹尺寸、作用应力和材料韧性。提高钢材脆性断裂的基本措施有： (保证施工质量、加强质量检验和施焊工艺管理，避免施焊过程中产生的咬边、裂纹、夹杂和气泡等。 (焊缝不宜过分集中，施焊时不宜过强约束，避免产生过大残余应力，同时应注意焊缝过于集中和避免截面突然变化。特别是低温下作用的静力荷载发生的脆断，常与残余应力有关。 (进行合理细部构件设计，避免应力集中。应力集中处会产生同号应力场，使钢材变脆。尽量避免采用厚钢板，厚钢板比薄钢板较易脆断，对钢材的韧性也有降低。 ④选择合理的钢材，钢材化学成分与钢材抗脆断能力有关，含碳量高的钢材，抗脆断能力有所下降，同时控制钢材中硫和磷的含量，硫使钢材热断，磷使钢材冷断，对于在低温下作用的钢结构，应选择抗低温冲击韧性好的材料。 ⑤加载速率越高，钢材的脆断转变温度提高，对于同一韧性的材料，设计动力荷载时允许最低的使用温度比静力荷载高的多，所以根据钢材不同的工作加载速率应选择不同韧性的钢材。 ⑥设计结构时选择优良的结构形式，有助于减少断裂的不良后果。 2、解释应力幅是评价焊接钢结构疲劳强度的一个指标 对于非焊接结构，通常用应力循环特征（应力比）来评价钢结构的疲劳强度。但是对于焊接钢结构疲劳强度起控制作用的是应力幅，而几乎与最大应力、最小应力及应力比这些参量无关。这是因为：焊接及其随后的冷却，构成不均匀热循环过程，使焊接结构内部产生自相平衡的残余应力，在焊接附近出现局部的残余拉应力高峰，横截面其余部分则形成残余压应力与之平衡。焊接残余拉应力最高峰值往往可达到钢材的屈服强度，名义上的应力循环特征（应力比）并不代表疲劳裂缝出现的应力状态。并且焊接连接部位因为截面的改变原状，总会产生不同程度的应力集中现象。残余应力和应力集中两个因素的同时存在，使疲劳裂纹发生于焊接熔合线的表面缺陷处或焊缝内部缺陷处，然后沿垂直于外力作用方向扩展，直到最后的断裂。产生裂纹部位的实际应力状态与名义应力有很大差别，在裂纹形成过程中，循环内应力的变化内应力的变化是以高达钢材屈服强度的最大内应力为起点，往下波动应力幅与该处应力集中系数的乘积。在裂纹扩展阶段，裂纹扩展速率主要受控于该处的应力幅值。从美国完成的焊接梁疲劳试验的结果中也可得出：在相同最大名义应力下采用三种相差悬殊的名义最小应力，应力幅和破坏循环次数之间的关系都落在同一条直线附近。不同钢材号的试件试验结果也落在同一直线附近。 3、可采取哪些措施来改善焊接钢结构疲劳性能 (加强钢结构构件的构造细节设计。特别是构件本身的拼接和连接容易造成严重的应力集中，使构件疲劳性能变差。 (保证焊缝的施工质量，尽量避免因咬边、裂纹、夹杂和气泡等初始缺陷对疲劳性能的影响，同时提高对焊缝质量的的检验标准，对重要结构可采用一级标准。 (磨去焊缝的表面部分：如磨平对接焊缝的冗高，对角焊缝打磨焊趾，除去焊渣，但打磨后表面不应存在明显的刻痕。 ④对于角焊缝的趾部用气体保护钨弧使重新熔化，可以原有的切口、裂缝、以及浸入的焊渣都可以消除，使疲劳性能得到改善。 ⑤施加一个与焊接变形相反的预变形、采取适当的焊接次序、采用对称焊缝、焊前预热等措施，减少或消除焊缝残余应力，改善钢材疲劳性能。 ⑥通过工艺措施，有意识地在焊缝和近旁金属的表层形成压缩残余应力，可采用锤击敲打和喷射金属丸粒。被处理的金属表层在冲击性的敲打作用下趋于侧向扩张，但被周围的材料所约束，从而产生残余压应力。同时，敲击造成的冷加工硬化也使疲劳强度提高。 4、基于热点应力的疲劳设计方法的特点 热点是疲劳裂纹的起源部位，具有优良焊接质量的焊接结构的热点一般位于焊趾出。热点应力是结构或几何应力在焊趾表面部位达到最大值，是结构中危险截面上危险点。因其是最容易发生疲劳破坏的部分，焊接结构中常取焊趾为热点。 热点应力中定义了结构最大的几何应力，同时计入了节点几何形状和荷载的影响， 但不计入施工形成的焊缝几何形状（平、凸、凹）和焊趾局部状况（焊趾半径、咬边等）的影响。 在焊接板或壳结构中，热点一般有三种类型，第一种焊趾位于附板的根部，母板的表面；第二种型焊趾位于附板的端面边缘处；第三种型焊趾沿着附板及母板的焊缝方向。热点应力法用来评估节点焊趾处疲劳开裂，不采用名义应力，而采用连接节点处的热点应力（即几何应力）作为疲劳验算的应力指标。 ? 优点：各种不同构造型式的焊接节点依据热点应力幅，都可应用相同的S－N曲线，因而可以大大减少接头疲