8.2钢结构抗疲劳设计第八章钢结构的脆性断裂和疲劳8.1 钢结构脆性断裂及其防止8.1.1 脆性断裂破坏从宏观上讲，最近破坏的主要特征表现为断裂时伸长量极其微小，(例如生铁在单向拉伸断裂时为0.5%～0.6%)。
如果结构的最终破坏是由于其构件的脆性断裂导致的，那么我们称结构发生了脆性破坏。
对于脆性破坏的结构。
几乎观察不到构件的塑性发展过程，往往没有破坏的预兆，因而破坏的后果经常是灾难性的。
工程设计的任何领域，无一例外地度都要求避免结构的脆性破坏(如在钢筋混凝土结构中避免设计超筋梁)，其道理就在于此。
脆性断裂破坏大致可分为如下几类：①过载断裂：由于过载，强度不足而导致的断裂。
这种断裂破坏发生的速度通常极高(可高达2100m/s),后果极其严重。
在钢结构中，过载断裂只出现在高强钢丝束、钢绞线和钢丝绳等脆性材料做成的构件。
②非过载断裂：塑性很好的钢结构件在缺陷、低温等因素影响下突然呈现脆性断裂。
③应力腐蚀断裂：在腐蚀性环境中承受静力和准静力荷载作用的结构，在远低于屈服极限的应力状态下发生的断裂破坏成为应力腐蚀断裂。
它是腐蚀和非过载断裂的综合结果。
一般认为,强度越高则对应力腐蚀断裂越敏感。
对于常见碳钢和低合金钢而言,屈服强度大于700Mpa时,才表现出对应力腐蚀断裂比较敏感。
据一项1974年的调查报告称,我国铁路桥梁的高强度螺栓在十几年间约有五千分之一发生了应力腐蚀断裂。
此后采用20MnTiB钢和35VB代替40B钢,情况大有改善。
④疲劳断裂与腐蚀疲劳断裂：在交变荷载作用下，裂纹的失稳扩展导致的断裂破坏称为疲劳断裂。
疲劳断裂有高周和低周之分。
循环周数在10的5次方以上者称为高周疲劳,属于钢结构中常见的情况。
低周疲劳断裂前的周数只有几百或几十次,每次都有较大的非弹性应变。
典型的低周破坏产生于强烈地震作用下。
环境介质导致或加速疲劳裂纹的萌生和扩展称为腐蚀疲劳。
⑤氢脆断裂：氢可以在冶炼和焊接过程中侵入金属造成材料韧性降低而可能导致的断裂。
焊条在使用前需要烘干，就是为了防止氢脆断裂。
历史上，钢结构的非过载脆性破坏屡有发生。
破坏时应力并未达到材料的抗拉强度,甚至还低于屈服点。
尤其是在焊接结构大量取代铆接结构的过程中，脆断发生频率一度增高,其中不乏后果严重者。
究其原因，有如下一些：⑴焊缝缺陷的存在，使裂纹萌生的概率增大。
⑵焊接结构中的数值可观的残余应力，作为初应力场，与荷载应力场的叠加导致驱动开裂的不利应力组合。
⑶焊缝连接通常使结构的刚度增大，结构的变形，包括塑性变形的发展受到更大的限制。
尤其是三条焊缝在空间相互垂直时。
⑷焊缝连接使结构形成连续整体，没有止裂的构造措施,则可能一裂到底。
⑸对选材在防止脆性破坏中的重要性认识不足。
除此之外，对于大型复杂结构、工作条件恶劣(如海洋工程)的结构的认识不足等都是造成脆性破坏发生的因素。
结构的脆性破坏经常在气温较低的情况下发生。
处在低温的结构要选择高韧性的材料来避免脆性破坏发生。
但是，如果处理不当，既便选用了高韧性材质，结构也可能发生脆性破坏。
新的钢结构设计规范GB50017为此增加了一节“提高寒区结构抗脆断能力的要求”,对有关构造与施工问题做出了规定。
8.1.2 脆性断裂的防止按照断裂力学理论,在弹性范围内，构件布置出现非过载脆性断裂的条件是（8-1）式中KI--纹尖端的应力强度因子；α --裂纹尺度；σ --裂纹尖端的应力：KIC--表征断裂性能的材料常数，称断裂韧性，K IC 的测试方法见国家标准《金属材料平面应变断裂韧性试验方法》(GB/T4146-1984)。
为了防止脆性断裂,需要从三个方面入手：①正确选用钢材、使之具有足够的韧性。
②尽量减小初始裂纹的尺寸,避免在构造处理中形成类似于裂纹的间隙。
③注意在构造处理上缓和应力集中，以减小应力值。
除此之外，结构形式也对防止脆性断裂有一定影响。
1.钢材选择目前工程中常用冲击韧性作为材料韧性指标，因其试样截面一律用10mm*10mm,并不能完全反映厚板的真实韧性，但其试验简单易行,在工程建有较多的应用试验。
另外,提高冲击韧性的有效措施对提高断裂韧性也同样行之有效。
国家标准《碳素结构钢》(GB700-88)和《低合金钢高强度结构钢》(GB/T1591-94)分别保证纵向取样的夏比V形缺口冲击功不低于27J和34J。
钢材的A,B,C,D分级就是依冲击韧性的要求设置的。
一般的,公路钢桥和吊车梁在翼缘板厚度不超过40mm 时,可以按所处最低温度加40℃级别要求,厚度超过40mm则适当降低冲击试样温度。
钢材标准都未对厚板的韧性提供更高的保证。
有鉴于此,设计重要的低温地区露天结构是,尽量避免用厚度大的钢板。
GB50017规范规定,”在工作温度等于或低于-30℃的地区焊接构件易采用较薄的组成板件”,低温地区必须用厚板时,应提高对冲击韧性的要求或进行全厚度韧性试验,如带缺口的静力拉伸试验和落锤试验,以考察其实际韧性。
2.初始裂纹对于焊接结构来说,减小初始裂纹尺寸主要是保证焊缝质量,限制和避免缺陷。
焊缝表面不得有裂纹。
焊缝的咬边(图8-1),实际上相当于表面裂纹。
《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205)规定质量等级为一级的焊缝不允许有咬边,二级和三级焊缝则咬边深度不超过0.05t(及0.5mm)和0.1t(及1mm)。
角焊缝的焊瘤(图8-1b)也起类似于裂纹的作用。
GB50205规定，不论焊缝质量等级为哪一级，都不允许焊瘤存在。
除了表面缺陷外，内部也可能有气孔和未焊透的缺陷，亦可萌生裂纹。
内部缺陷由超声波探伤法检测，按国家标准《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级法》评定。
质量等级一级和二级的焊缝，检验等级应为B级，评定等级则应分别为Ⅱ和Ⅲ级。
质地优良的焊缝只有通过严格的质量管理和验收制度才能实现。
某糖厂存放废液的焊接罐体结构,在验收合格后不久突然脆性断裂,经事后详细检查,发现焊缝质量存在严重问题。
由于工地施焊条件不如工厂，安装焊缝出现缺陷的机会比工厂焊缝多，GB50017规范规定,在工作温度等于或低于-20℃的地区,安装易采用螺栓连接。
3.应力式(8-1)的应力是构件中的真实应力。
它不仅和荷载的大小有关,也和有无应力集中以及约束造成的残余应力的影响有关。
减缓应力集中问题将在下节结合疲劳问题讨论。
因收缩受到约束而产生高额残余应力的情况在抗脆断设计中必须避免。
4.结构形式与构造细节在设计工作的结构选型和结构布置阶段,就应该注意防止断裂问题。
由于赘余构件的断裂一般不会导致整体结构的失效,因此超静定结构对与减少断裂的不良后果一般是有利的。
当然,要同时考虑由于地基不均匀沉降、超静定结构可能会导致严重不利的内力重分布等问题。
静定结构采用多路径传递荷载亦有异曲同工的作用。
用一根独立的简支受弯构件作为跨越结构是单路径结构;而以横向构件相连的数根并联构件作为跨越结构就是多路径的结构。
对于多路径结构,并联构件中的任一个发生断裂，一般都不会立即引起整体结构的坍塌。
实际上，单路径和多路径是相对的。
就整个结构而言，有单路径和多路径结构之分；就单个构件而言。
同样有单路径构件和多路径构件之分。
甚至就构件的各部分元件而言，亦有单路径元件和多路径元件之分。
显然，就防止断裂而言，多路径组织要优于单路径组织。
一个由单个角钢构成的拉杆是单路径构件，而由两个以上角钢和钢板构成的组合截面拉杆则是多路径构件。
如图8-2所示，焊接受弯构件受拉翼缘可以作成单层的(图8-2)，也可以作成多层的(图8-2a)。
前者的受拉翼缘是单路径元件，而后者属于多路径元件。
当弯矩很大，需要选取较厚的翼缘时，从抗断裂的角度看，后者要比前者有利。
这不仅是因为单层厚板翼缘脆断的可能性比多层薄板翼缘大得多，还在于前者一旦开裂，即一裂到断，后者在一层板开裂后，不会波及其他板层。
顺便指出，在图(8-2b)中翼缘和腹板采用不焊透的焊缝连接，有利于阻止裂缝的发展。
但是，设置这种构造间隙并不是无条件的，因为构造间隙并不总是起有利于构件抵抗断裂的作用。
只有在上述这种梁翼缘和腹板之间无垂直于间隙的拉力时才允许。
否则，构造间隙的类裂纹作用十分有害。
在它近旁的高度应力集中，高额的焊接残余应力，以及因热塑变形而时效硬化导致的基体金属的脆性提高，经常扮演诱发裂纹的角色。
图8-3中是一些典型例子。
其中图8-3(a)是在一渔船甲板上因阻止木地板滑动而焊有窄钢板条的情形，窄钢板条相互之间的对接处没有焊接，而只是将窄钢板条焊于甲板，对接间隙因而相当于一条预裂纹，在低温-16℃时，甲板子于隙处开裂，并向两旁扩展。
图8-3(b)是一用拼接角钢连接的输电塔的受拉主杆，在低温-50℃时，断裂发生于间隙处(低温收缩引起的导线张力增大是断裂的外因)。
图8-3(c)是一具有支撑环的储液罐，支撑环的拼接焊以及罐与支撑环的连接焊缝均未焊透，在低温-20℃，裂纹从拼接焊缝处扩展到罐体。
低温地区的结构必须避免这种留有间隙的构造设计。
在板的拼接中，不宜留狭长的拼接间隙，而要采用两面剖口的对接焊缝并予以焊透，或者采用图8-4所示的构造方案。
其中图8-4(a)是将拼接间隙拉开，固8-4(b)是将焊缝终止于离拼接间隙30mm处。
总之，一般情况下，低温地区既不应在构造上留有类似裂纹的间隙，也不应在板件对接和T型连接中采用不焊透的焊缝。
多路径结构使局部破坏不至于殃及整体结构的坍塌。
在航海和航空结构中应用较广的止裂元件亦是为了将裂缝的扩展限制于局部，以免一裂到底，祸及整体。
用高韧性材料做成的板内止裂元件和板外止裂元件，其构造如图8-5所示。
图中止裂元件与主材的对接焊缝要求采用双面剖口型。
另外，在梁、柱等构件的端部经常要处理图8-6所示的角形连接，端竖板如果存在分层缺陷，构造不当会引起层间撕裂。
因此，宜采用图8-6(a)，(b)的角形连接构造，而避免采用图8-6(c)，(d)的构造方式。
5．其他措施在钢结构制造安装过程中，应尽量避免使材料出现应变硬化，要及时通过扩钻和刨边消除因冲孔和裁剪(剪切和手工气割)而造成的局部硬化区，在低温地区尤需如此。
注意正确选择和制订焊接工艺以减少不利残余应力，包括必要时通过热处理方法消除重要构件中的残余应力；提倡规范文明施工，不在构件上随意起弧和砸击以避免构件表面的意外损伤。
正确使用亦在防止脆断措施之列。
在使用过程中，严禁在结构上随意加焊零部件以免导致机械损伤；除了严禁设备超载外，亦不得在结构上随意悬挂重物；严格控制设备的运行速度以减少结构的冲击荷载。
除了结构正常使用的工作环境温度要符合设计要求外，在停车捡修时(尤其在严寒季节)亦应注意结构的保温。
8.2.1 疲劳破损在第2章中曾经论述过，疲劳破损的过程本质上是微裂纹的萌生、缓慢扩展和最终迅速断裂的过程。
金属结构本体内不可避免的微小材质缺陷(包括分层之类的轧制缺陷)本身就是微裂纹。
