高钢疲劳与断裂作业剖析.docx

PAGE \* MERGEFORMAT6 同济大学土木工程学院 高 等 钢 结 构 原 理 一、概念论述题 4、线弹性断裂力学的研究对象和应用范围 答：线弹性断裂力学的研究对象主要是高强度低韧性钢的低应力脆断，它是断裂力学的重要组成部分和理论基础，它适用于高强度钢和大截面的中、低强度钢结构。通过线弹性断裂力学分析, 能回答某一工作载荷下所允许的最大裂纹尺寸、有裂纹的结构能承受多大的载荷以及它的使用寿命等问题。而对于中、低强度钢的一般结构以及薄壁压力容器等裂纹问题，由于裂纹顶端往往产生了大范围屈服，这时线弹性断裂力学分析已经失效，而要进一步依靠弹塑性断裂力学来进行分析。 （1）裂纹尖端完全弹性变形 由于裂纹尖端完全弹性变形，故可采用线弹性力学对裂纹尖端附近的应力应变场进行分析，得到断裂条件和断裂韧性KIC，从而判断裂纹是否??扩展。或者进行能量分析，考虑裂纹扩展时的能量变化，建立平衡方程，获得断裂条件，从而获得断裂韧性一裂纹扩展力GIC。 （2）裂纹尖端小范围屈服时 当裂纹尖端的应力等于或大于屈服应力时裂纹尖端区域就会产生屈服，从而使裂纹尖端应力重新分布，发生应力松驰，而不遵守弹性规律，线弹性断裂力学已不能适用于这个屈服区，但如果屈服区很小，则其周围广大区域仍为弹性区，经过必要的修正，线弹性断裂力学的分析仍然有效。裂纹尖端塑性区的修正，可分两步进行：一是根据线弹性应力场算出塑性区的尺寸；二再根据由于屈服引起的应力重新分布(应力松弛)，算出塑性区进一步增大的尺寸。 10、防止焊接钢结构脆性断裂的基本措施 答：根据断裂力学的观点，影响钢结构脆断的直接因素是裂纹尺寸、作用应力和材料的韧性，因此防止焊接钢结构脆断的基本措施可以通过从制造和设计两个方面来考虑上述因素。 （1）裂纹 焊接钢结构的初始缺陷和原始裂纹一般发生在焊缝处，因此防止焊缝出现裂纹可有效地防止钢结构脆断。 选择正确的施焊工艺、材料以及设计细节可防止焊缝出现裂纹。当焊接结构的板厚较大时，如果含碳量高，连接内部由约束作用，焊肉外形不适当，或冷却过快，都有可能在焊后出现裂纹；当两块厚板T形连接时，可在两板之间垫上软钢丝留出缝隙，焊缝有收缩余地，避免因焊缝收缩受拉产生裂缝；将焊缝表面做成凸形，可减少焊缝表面的收缩拉应力，防止焊缝开裂；合理设计焊接细节可防止焊缝收缩产生层间撕裂。 （2）应力 影响构件断裂的应力是实际应力，不仅和荷载大小有关，还和应力集中和残余应力有关，因此减少应力集中和残余应力能防止钢结构脆断。 构件截面、焊接接头形式尽量使力线均匀分布，避免截面突变、尖角；尽量选用应力集中最小的对接接头，少用搭接接头；两个不同截面构件的对接接头应当尽可能平缓过渡；避免焊缝过于集中，避免截面突然变化。 （3）材料韧性及钢材选用 结构的材料根据工作条件和荷载特性具备一定的韧性，可防止断裂。对选定的钢材，可用V形缺口冲击试验的结果来检验其韧性适用性，即在规定温度下能达到规定的能量值；厚钢板韧性低于薄钢板，尽量选择薄钢板；不同质量等级的钢材冲击韧性不一样，需根据结构重要性、应力状态、使用温度和钢材厚度来确定选用钢材的质量等级。 （4）合理的结构形式 优良的结构形式可以减小断裂的不良后果。把结构设计成超静定的，形成多路径结构，可减少断裂造成的损失；附加件的连接方式，尽量不要焊接，防止裂纹扩展到结构主体；在满足工作应力条件下，尽量减小结构刚度，采用较薄的材料；构件相互连接的节点应尽可能避免偏心；低温地区结构的构造细部应该保证焊缝能够焊透。 17、无限寿命、安全使用寿命、破损—安全等疲劳设计思想的基本要义 答：（1）无限寿命法 无限寿命法通常是依据S—N曲线进行构件设计的，控制荷载产生的应力幅小于疲劳极限，也就是保证构件所受的最大应力不超过构件的疲劳极限或长寿命疲劳强度，结法构不会产生宏观疲劳裂纹，具有无限的寿命，结构服役期内无需检测。方法简单，但结构用料多而笨重，不经济。 （2）安全使用寿命法 安全使用寿命法也是依据实验中得到的S—N曲线来进行设计的。这种安全寿命设计思想初期的观点是保证所设计的构件在规定的安全寿命期间不出现疲劳裂纹，现在的观点则是保证承力构件在不进行检查和维修的条件下，在规定的安全寿命期间因疲劳而破坏的可能性极小。 这种设计思想的安全可靠是用分散系数来保证的,构件的强度是随着使用中损伤的增加而逐渐下降的，当强度下降到与它的载荷相等时，也就到了总寿命。所以，安全寿命又可定义为：安全寿命=总寿命/ 分散系数。 （3）破损—安全设计法 破损一安全设计法是指结构在规定的使用年限中，允许产生疲劳裂纹，并允许疲劳裂纹扩展，但其剩余强度应大于限制载荷，并通过定期检查及修理等办法，修复结构，延长其使用寿命。检修周期一般规定为：检修周期=剩余寿命/分散系数。 破损一安全设计