童乐为《焊接钢结构断裂与疲劳》讲稿-疲劳

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1、疲劳破坏的基本特点疲劳Fatigue—固体力学一个分支，研究材料和结构在循环荷载作用下的强度问题，研究其应力或应变状态与寿命的关系。疲劳破坏—循环荷载反复作用下，经历渐进性的损伤积累，构件局部出现裂纹，最后断裂的现象。渐进性：疲劳表面上无迹象，突然发生，实际上经过一段使用时间形成局部性：疲劳起源于局部位置疲劳破坏分类低周高周高周疲劳Highcyclefatigue（应力疲劳）疲劳疲劳塑性变形工作应力小于f没有明显的塑性变形，寿命大y，于104次以上（本课程讨论对象）。弹性变形典型对象：厂房吊车梁

2、、游乐设施、桥梁、高耸塔架、海洋平台等在日常荷载下的疲劳破坏疲劳问题分类低周疲劳Lowcyclefatigue（应变疲劳）工作应力达到或大于f，有一定的塑性变形，寿y命在104次以内，甚至只有几百次、几十次。典型对象：强烈地震下的一般钢结构损伤破坏。地震造成的钢框架梁柱焊接节点疲劳断裂疲劳破坏的过程一般非焊接钢结构三阶段裂纹失稳裂纹形成裂纹稳定扩展扩展断裂焊接钢结构二阶段本身存在类似裂纹的缺陷类似裂纹的焊接缺陷焊接裂纹气孔错边咬边咬边—焊趾、焊缝根部或焊道间的沟槽状缺陷焊道间未熔合焊缝金属与坡口面未

3、熔合熔深不足焊瘤未焊透未焊透—焊缝金属与母材(坡口面)之间或各层焊缝金属之间的交界面未能熔透的缺陷疲劳破坏的断口特征光滑区—裂纹扩展过程中不断张开闭合，两表面互相碾磨而成。粗糙区—截面削弱，不能承载而快速拉断形成。粗糙区沙滩条纹光滑区典型疲劳断口显微镜下的疲劳“Beachmark沙滩条纹”揭示了裂纹的扩展，一次应力循环留下一个条纹疲劳裂纹位置和扩展方向裂纹起始位置裂纹结构几何形状突变、应力集中部位荷载焊接结构的焊趾、焊缝端部、焊缝缺陷处裂纹扩展方向焊缝沿与主拉应力或正拉应力垂直的方向扩展。裂纹焊缝

4、裂纹焊趾裂纹疲劳裂纹位置和扩展方向（续一）上翼缘受压处裂纹下翼缘受拉处裂纹钢梁疲劳试验疲劳破坏裂纹起源于角焊缝SRC梁疲劳试验撬开混凝土后的钢梁疲劳破坏钢梁裂纹扩展示意图疲劳裂纹位置和扩展方向（续二）带栓钉的钢梁疲劳试验疲劳破坏裂纹起源于栓钉焊址带栓钉的SRC梁疲劳试验撬开混凝土后的钢梁疲劳破坏疲劳裂纹位置和扩展方向（续三）P初始裂纹90°d焊缝63°74°80°146°CHSH43°5d钢管909090900454528°4545SHSbDegree0T000-45-45-45-20°-456b0-90

5、-90-90-90L-67.5°90°90°T:TensionsideN=2018342N=2493183N=39445653N=88354294C0°TC:Compressionside-90°裂纹在应力最大处萌生，并沿焊趾扩展钢管节点疲劳试验PLoadingpad(500mmx200mm)Loadingarea主拉应力裂纹垂直于最大主拉应力方向扩展钢平台疲劳试验疲劳裂纹位置和扩展方向（续四）疲劳机加载头焊缝裂纹裂纹钢管节点试件钢管混凝土节点疲劳试验裂纹扩展多处裂纹形成，并沿焊趾扩展、汇总疲劳荷载应力比

6、ρ＝σ/σluσt平均应力最小应力应力幅最大应力变幅、随机疲劳荷载常幅疲劳荷载疲劳寿命与疲劳强度疲劳寿命―破坏时的应力循环次数疲劳强度―破坏时的应力幅疲劳极限―低于某一应力幅，将不会发生疲劳破坏未必所有材料或构件都存在疲劳极限或疲劳极限σt疲劳强度寿命S－N曲线疲劳强度常幅疲劳极限NNL各国规范美、日中国、欧洲英国对数后的S－N曲线疲劳极限的寿命N2×1065×106107L疲劳寿命分布寿命分布直方图对数化频率分布曲线偏斜分布接近对数正态分布钢材的疲劳寿命分布疲劳寿命的离散性疲劳寿命具有离散性，

7、相同的应力水平，呈现差别很大的寿命应力水平越小，离散性越大大量试验表明疲劳寿命一般可假定服从对数正态分布疲劳设计的S－N曲线确定方差平均值（采用最小二乘法回归）具有一定保证率的下限值logn分布下限曲线保证率对数分布时，97.7%t氏分布时，95%目前我国钢结构规范强度、稳定—采用以概率为基础的极限状态设计法疲劳—采用容许应力设计法目前对疲劳裂纹形成、扩展、断裂的极限状态定义、影响因素研究不足影响疲劳强度的主要因素因素非焊接结构焊接结构影响方式循环次数N↑有影响有影响疲劳强度↓应力集中↑有影响有

8、影响疲劳强度↓尺寸、板厚↑有影响有影响疲劳强度↓环境质量↓有影响有影响疲劳强度↓应力比ρ↓有影响/疲劳强度↓最大应力σ↑有影响/寿命N↓max应力幅△σ↑/有影响寿命N↓钢材静力强度↓有影响/疲劳强度↓焊接残余应力对疲劳行为的影响实际应力焊接截面的变化状况残余应力分布300~（300-100）通常存在数值接近fy的拉应力∆σ施加的名义应力0~100，∆σ=100外加应力变化实际应力σ~0变化状况300~（300-100）∆σ施