钢结构的疲劳破坏事故 共51页51页PPT

总结词
结构细节和连接方式对钢结构疲劳性能具有重要影响，合理的细节设计和连接方式可以有效提高结构的疲劳寿命 。
详细描述
钢结构的细节设计和连接方式决定了结构内部的应力分布和传递。不合理的细节设计和连接方式可能导致局部应 力集中，加速裂纹萌生和扩展。因此，在设计和制造钢结构时，应注重细节处理和连接方式的优化，以提高结构 的疲劳性能。
超声检测
利用超声波在材料中的传播特性 ，检测内部缺陷和裂纹。
涡流检测
利用涡流对材料进行检测，通过 分析涡流的变化来检测裂纹。
损伤识别与评估
损伤识别
通过各种无损检测手段，如声发射、 红外成像等，对钢结构进行全面检测 ，以确定损伤的位置和程度。
损伤评估
根据损伤的严重程度，对钢结构的剩 余寿命和安全性进行评估，为维修和 加固提供依据。
采用无损检测技术，如超声波、磁 粉等方法，对钢结构进行监测和评 估，了解结构疲劳状况。
维修与更换
对于发现的疲劳裂纹和损伤，及时 进行修复或更换，防止裂纹扩大。
增强结构整体性
增加支撑和连接
加强节点连接
通过增加支撑和连接件，提高钢结构 的整体稳定性，减少结构变形和应力 集中。
对节点连接进行加强，提高节点刚度 和承载能力，减少应力集中和变形。
优化结构设计
对钢结构进行详细的结构分析和优化 设计，合理布置支撑和连接件，提高 结构整体性。
局部加固与修复
1 2
焊接加固
对于疲劳裂纹和损伤，可以采用焊接方法进行加 固和修复。焊接前应进行焊接工艺评定和焊接质 量检测。
粘贴钢板加固
在钢结构表面粘贴钢板，提高结构的承载能力和 刚度，适用于大型结构件和厚板的加固。
《钢结构疲劳》ppt课件

2.隆耀公司未尽到承包方主体责任。公司主要负责人未依法履行安全生产工作职责； 超资质承揽工程；违规允许个人挂靠，安排人员挂名项目经理，对承包项目未实施 实际管理；在没有施工许可证，结构设计图纸未经审查，无施工组织设计、无安全 技术交底的情况下进行施工；项目施工现场内违规设置办公区、生活区。
五、移交司法机关人员（8人）。
（2）厂房结构体系混乱。按照本次改造前的状态验算，材料强度按照砖 MU7.5、 砂浆 M5 (设计值)，底层A轴砖柱及翼墙抗力与荷载效应之比约为0.48，局部构件承 载力不足，处于较危险状态。5月1日后，南侧A轴进行过墙体窗洞扩大（拆墙）等 施工，翼墙仅剩200mm～300mm,整体稳固性不足，存在明显薄弱环节和安全隐患。 根据事发前施工现场底层6/A、7/A翼墙凿除照片、A轴其他承重柱及翼墙粉刷层凿
鄂托克旗建元煤焦化有限责任公司在建煤棚工程 “ 6 ·8 ” 钢 结 构 安 全 事 故
一、事故发生经过
2019年5月15日，鑫鹏公司项目部现场负责人高亚军雇佣个人王军组织劳务 作业人员从一区A轴线山墙开始对称安装钢结构网架。6月8日14时许，王军组织 黄青祥、黄沈阳、侯东东、刘遵玲、张冬至、王怀宝等20人，分四个安装组在施 工现场E轴进行钢结构网架施工安装。王军负责现场施工管理，黄青祥、黄沈阳、 侯 东 东 、 刘 遵 玲 为 一 组 在 西 南 角 （ E - F 轴 及 11 轴 ） 距 地 面 约 1 2 米 高 处 进 行 安 装 网 架作业，张冬至负责将拼装好的钢构件挂于吊车吊钩，王怀宝操作吊车将钢构件 吊装给上方作业人员。约16时30分，该区域网架局部突然发生垮塌，在网架上进 行作业的黄青祥、黄沈阳、侯东东、刘遵玲4人随网架杆件坠落到地面
1.①幢厂房1层承重砖墙（柱）本身承载力不足

(6)螺纹加工工艺 ①加工方法的影响 螺纹加工方法大体可分为两大类，一类是切削法，包括车
螺纹、铣螺纹、磨螺纹和板牙套螺纹、丝锥攻丝等；另一类 是滚压法，包括搓丝和滚丝。试验验证，螺纹的加工方法对 变载荷下的疲劳强度影响甚大，滚压螺纹有较高的疲劳强度， 因为滚压时的塑性变形能提高螺栓的疲劳寿命，而且在滚压 牙根部分时．在牙根形成有益的残余压应力，并改善了材料 的结构。正确选择滚压工艺，即使在较高的预紧力下，也能 使疲劳寿命提高20％～50％。
第6章 钢结构的疲劳破坏事故
6.1 疲劳破坏的概念
钢材或构件在反复交变荷载作用下在应 力远低于抗拉极限强度发生的一种破坏。 1. 疲劳破坏是钢结构在反复交变动荷载作用 下的破坏形式，而塑性破坏和脆性破坏是 钢结构在静载作用下的破坏形式； 2. 虽然具有脆性破坏特征，但不完全相同； 3. 断口分为疲劳区和瞬断区。
• 吊车梁及吊车桁架疲劳计算
f 2106
6.6 网架结构疲劳问题的系统研究
6.6.1 疲劳问题的提出 网架是一种高次超静定的空间结构，由于
其外形美观、受力合理、制作简便、形式灵 活等特点，得到了迅猛发展。网架结构不仅 应用于体育场馆等公共建筑，也广泛应用于 工业建筑中。悬挂吊车充分发挥了超静定结 构对集中力扩散快的优点，而且布置灵活， 便于工业流程改造。悬挂吊车吨位及运行频 繁程度增大，疲劳问题也日趋严重。
可以减小微动磨损的不利影响，从而提高其疲劳强度；过大 或过小的预紧力都是不利的。过大的预紧力有可能导致螺栓 被拧断，锥头或封板可能被压坏，也可能使螺纹牙被剪断而 脱扣；过小的预紧力虽能使螺栓上循环变化的总载荷的平均 值减小，但却使载荷变幅增大，导致高强螺栓的疲劳寿命下 降。因此，预紧力的大小及准确度都是十分重要的。

2、疲劳破坏是循环应力引起的延时断裂，其断裂应力水平往 往低于材料的抗拉强度，甚至低于其屈服强度。机件疲劳失 效前的工作时间称为疲劳寿命，疲劳断裂寿命随循环应力不 同而改变。
3、应力高，机件寿命短；应力低，寿命长。当应力低于材料 的疲劳强度时，寿命可无限长。
循环变动应力
疲劳失效的特点
(1) 疲劳断裂表现为低应力下的破坏断裂：疲劳失效在远低于 材料的静载极限强度，甚至远低于材料屈服强度下发生。 (2) 疲劳破坏宏观上无塑性变形：与静载荷作用下材料的破坏 相比，具有更大的潜在的危险性 。 (3) 疲劳失效过程是一种与时间有关的失效方式，具有多阶段 性：是材料微观组织累积损伤过程，由交变应力(应变)作用引 起的损伤是随着载荷次数逐次增加的。 (4) 与单向静载断裂相比，疲劳失效对材料的微观组织累积损
大型钢结构主要承载结构部件所用材质
1、起重机主要承载结构及零部件常用材料 （1） 起重机承载结构件常用材料
采用Q235B、Q235C、Q235D(和平钢)，沸腾钢Q235F。管事级别为A7、 A8的起重机金属结构，宜采用平炉和平钢Q235C或特殊和平钢Q235D， 必要加重结构自重时,可采用16Mn或15Mn可。
4、海洋平台
作为海洋资源开发的基础设施，海洋平台造价高、结构复杂、使用周期 长，长期承受着循环交变载荷，因疲劳累积损伤而导致整个海洋平台倒 塌失效的事故往往是灾难性的,而疲劳断裂因其特点在构件失效前往往 不易被察觉,给海洋平台的安全使用带来较大的安全隐患。
5、船舶结构
作为海洋运输的基础设施，船舶结构造价高、结构复杂、使用周期长， 长期承受着循环交变载荷，因疲劳累积损伤而导致整个船舶结构断裂失 效的事故往往是灾难性的,而疲劳断裂因其特点在构件失效前往往不易 被察觉,给船舶结构的安全使用带来较大的安全隐患。

染色液体渗入法：是使带燃料的液体渗入表面的细裂纹，然后通 过显色剂，把燃料吸上来以显示裂纹轮廓。在检验时，把焊缝表面 清理干净并保持干燥，然后刷上一薄层渗入液，待燃料渗入却先后， 把表面擦净再涂上显色剂。已渗入的液体这时回到金属表面和显色 剂起反应，从而可以清晰地看出裂纹轮廓。
射线照相检查：依靠电磁射线来确定焊缝是否完好。X光线和 β射线都能穿透像焊缝这样的非透明体。在焊缝背后放上敏感胶片， 即可取得焊缝结构的永久记录。射线穿过焊缝材料后达到敏感胶片， 产生不同反差的负片，在射线穿过气泡、夹渣或裂纹时，在这些密 度小的区域透过得很多，在胶片上造成黑色区。
图1.2裂纹尺寸
图1.3示出疲劳断裂面的分区，裂纹大体上以同心圆的形 式从表面的裂源向内部逐渐扩展。扩展到一定程度后截面削 弱过甚，即被拉断。当构件应力较小时，扩展区所占范围较大， 而当构件应力很大时，扩展区就比较小。扩展区的表面光滑，
而且是愈近裂源愈光，这是因为裂纹经过多次开合的缘故。 拉断区可以使脆性的颗粒状断口，也可以使带有一定韧性的 断口。图1.4给出焊接工形截面翼缘和腹板间角焊缝从表面 或内部发展疲劳裂纹的情况。
所有应力循环内的应力幅保持为常量，这种循环荷载 作用称为常幅破坏。
对于常幅疲劳，其计算表达式如下 19401012
[Δ ] ( C )1/
n
Δσ≤[σ]
[σ]——容许应力幅 Δσ——循环荷载产生的应力幅
表1.1 参数C、β
构件及
1
2
3
4
5
6
7
8
连接类
别
C 19401012 8611012 3.261012 2.181012 1.471012 0.961012 0.6510120.411012

6.6.2 焊接空心பைடு நூலகம்节点网架的疲劳性能
与螺栓球节点网架相比，其整体刚度大，更适用
于悬挂吊车动载作用的工业厂房。试验证明受压时
不存在疲劳问题。
1984年，太原理工大学开始对焊接空心球节点网
架的静力及疲劳性能进行系统的理论及试验研究，
通过对4种规格、15个试件的常幅疲劳试验，得到
了工程中常用的管--球节点在剖口焊情况下的疲劳
裂纹等；
(2) 制作过程中剪切、冲孔、切割；
(3) 焊接结构中产生的残余应力；
(4) 焊接缺陷的存在，如：气孔、夹渣、咬肉、
未焊透等； (5) 非焊接结构的孔洞、刻槽等； (6) 构件的截面突变； (7) 结构由于安装、温度应力、不均匀沉降等
产生的附加应力集中。
6.3 提高改善疲劳性能的措施
• • • • • • 精心选材； 精心设计； 精心制作； 精心施工； 精心使用； 修补焊缝；方法如下：
键物件在这一荷载谱作用下的预期寿命．再引入安全系数以
达到安全寿命。但事实上，我们很难预测使用期间所有的载 荷条件，且疲劳实验结果又有很大的离散性。因此，安全系 数确定中有许多不定因素，只有取的足够大，才能使疲劳破 坏的可能性降到很低。
3. 破损-安全设计
破损--安全设计准则首先是在航空工程中发展起
曲线(如图)。
6.6.3 螺栓球节点网架的疲劳性能
作为一种工程预制、现场拼装、适用于工业化生产 的网架形式，就应用范围而言，目前已跃居首位； 其疲劳性能关键是高强螺栓的疲劳。 1999年至今，太原理工大学在国家自然科学基金 的资助下，开始对螺栓球节点网架设置悬挂吊车的 变幅疲劳性能进行了系统的理论与试验研究，已获 得成果如下：
来的。它认为裂纹可以出现，但在整个裂纹被检测 和进行修理前，所出现的裂纹不会导致整个结构的 破坏。这就要求定期检查和维修，以便及时发现裂 纹，同时要求裂纹扩张速度较慢。此外，希望所设 计的结构能够进行载荷多路径传递转移，即将结构 某一环节破坏后，载荷能够被转移并重新分布。

一、钢桥疲劳的基本概念
➢ 疲劳破坏定义： 疲劳破坏是材料在低于强度极限的反复荷载作用下，由于缺陷局
部微细裂纹的形成和发展直到最后发生脆性断裂的一种破坏。 ➢ 疲劳破坏产生的原因:
钢桥在反复交变荷载作用下，先在其缺陷处生成一些极小的裂痕， 此后这种微观裂痕逐渐发展成宏观裂缝，试件截面削弱，而在裂 纹根部出现应力集中现象，使材料处于三向拉伸应力状态，塑性 变形受到限制，当反复荷载达到一定的循环次数时，材料终于破 坏，并表现为突然的脆性断裂。
二、钢桥抗疲劳设计原理
标准疲劳车为一四轴单车，轴重均为80kN，总重为320kN。标准车示意 图如图1、图2所示:
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“精 准扶贫 ”项目
二、钢桥抗疲劳设计原理
2欧洲规范EC1中所规定的疲劳疲劳荷载谱 欧洲疲劳规范了5种不同的疲劳荷载模型（Fatigue Load Modle,简称
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“精 准扶贫 ”项目
二、钢桥抗疲劳设计原理
➢ 疲劳荷载模型二 疲劳荷载模型二采用一系列的理想加载车成，共有5种货车形式，加
载车辆的轴数、轴距轴重以及车轮形式如表3所示。
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“精 准扶贫 ”项目
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“精 准扶贫 ”项目
二、钢桥抗疲劳设计原理

• 3.3.3内力塑性重分布
• 在超静定结构中其某个构件的某个截面出现塑性铰并不 意味结构失去承载能力。由于塑性内力重分布结构可以 继续承受增加的荷载。
3.4结构的疲劳破坏
• 3.4.1疲劳破坏现象 • 钢结构或钢构件在连续反复荷载的作用下，要发生疲
劳破坏。
• 钢结构或钢构件总是存在裂纹，疲劳破坏就是裂纹发 展导致最后断裂。
• 3.4.2影响疲劳强度的因素 • 包括应力集中、缺陷、残余应力等因素，它们相互交
织在一起，通常用试验判定。 • 3.4.3疲劳强度的确定 • 《钢规》当应力变化的循环次数 n大于或等于 5 ×104
次时，应进行疲劳计算。
• 由试验可知，焊接结构应力幅△σ与疲劳破坏荷载循
环次数一一对应，而与钢材种类没有关系。
•
对一般简支实腹吊车梁疲劳验算位置有4处(见图)： • ①下翼缘与腹板连接角焊缝； • ②横向加劲肋下端的主体金属； • ③下翼缘螺栓和虚孔处的主体金属； • ④下翼缘连接焊缝处的主体金属。
•简支吊车梁疲 劳计算位置
3.5结构的累积损伤破坏
• 钢构件在荷载反复作用下，要发生此类破坏。如钢柱或 梁柱节点在强地震作用下的破坏。由于构件累积损伤造 成的破坏是再强度很大的荷载作用下，反复次数不多情 况下发生的，又称低周疲劳断裂。
• 2、极值型失稳
• 结构变形随荷载增加而增加，且愈来愈快，直到结构 不能承受增加的外荷载而压溃。又称第二类稳定。
• 3、屈曲后极值型失稳
• 失稳时有平衡分岔现象，但不立即破坏，有较显著的 屈曲后强度，可继续承载直到出现极值型失稳。
• 4、有限干扰型失稳
• 结构屈曲后承载力迅速下降，如有缺陷结构在受荷过 程中就不出现屈曲现象而直接进入承载力较低的极值 型失稳。又称不稳定分岔屈曲，这类结构称缺陷敏感 型结构。

成长速率与成长方向为局部应力集中的状 况及裂缝尖端的材料性质所控制。
疲劳裂缝成长，依先后顺序分成：
◇ 第I阶段：疲劳裂缝沿PSB方向进行 ◇ 第II阶段：垂直应力方向进行
第二十四页，共51页。
第I阶段：
疲劳裂缝沿PSB方向进行
疲劳裂缝沿着高剪切应力平面（即PSB）成 长，使初期疲劳裂缝加深，其成长速率相对 缓慢，且为单一滑移。
交变应力的几个名词术语:
第七页，共51页。
交变应力的几种模式：
第八页，共51页。
脉动循环：
变动于零到某一最大
值之间的交变应力循环， 称为脉动循环。
0 第九页，共51页。
（3）稳定交变应力：
交变应力的最大应力和最小应力的值，在工作过程中 始终保持不变，否则称不稳定交变应力。
不稳定交变应力
任意振幅、应力
C值介于-0.05 — -0.7之间。
Basquin与Coffin-Manson关系式合并，得到完整的应力、应变与 疲劳寿命关系式：
材料本身的特性也会使应变-寿命曲线有所不同！ 第十六页，共51页。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
→ 不同性质材料的应变-寿命曲线
① 循环硬化
当循环应力继续作用， 材料的应力-应变曲线形状会
产生变化，代表其材质对应
E. 晶粒大小与方向
晶内与晶界的等强度温度（ECT)以下，晶粒越 细则疲劳寿命会增加，归因于细晶强化（晶界 阻碍了位错的运动）。
若材料因塑性加工而致使 晶粒拉长、变形，则疲劳 负荷方向与晶粒方向平行 时疲劳寿命更高。
强度越高则有效应力集中系数越大，即对
应力集中就越敏感。
第三十二页，共51页。
凹凸不平的最后破断区
最后疲劳破坏的阶段,当试样无法承受所施 加的载荷而突然断裂时,因没有经过摩擦阶段, 故其表面将出现粗糙而不规则的特征, 亦有人 称其为粒状表面。

钢结构坍塌事故案例分析
班级：土木122 PPT：梁兆威 演讲：关先钦 组员：梁兆威 关先钦
工程概况
某国际展览馆建筑面积达5万多㎡，主馆由A、B、C、D4个展 馆组成。这4 个展馆的建筑造型和结构体系完全相同，且相互独立 。
单个展馆的平面尺寸为172m×73m，横向两端各悬挑2.6m， 纵向两侧悬挑8.85m，东侧悬挑2.6m。屋面结构采用螺栓节点网 架，下弦柱点支承，网架屋面材质为Q235B，屋架最高点的标高 为23.157m，矢高2.38m~4.5m。采用箱型柱，柱与屋面结构交接 ，采用过渡钢板加螺栓的平板压力支座，柱脚为外包式刚接柱脚 。 该网架结构中部为平面桁架体系，其外部在横向两端为正方四角 锥网架，平面桁架之间在上下弦平面内用刚性连系杆与两侧四角 锥网架体系，形成中部浅拱支撑结构体系。主馆网架结构使用滑 移脚手架施工安装平台，采用高空散装法进行施工。
设计原因分析
3）平面桁架采用螺栓球节点 桁架结构通常都是用钢管直接相贯焊接而形成相贯节点，采用
螺栓球节点连接的并不多见，螺栓球节点一般用于跨度不大的轻型 四角锥网架和三角锥网架。该工程如此大跨度的平面桁架，应该采 用相贯节点而非螺栓球节点，可能只考虑了安装施工速度快而采用 了螺栓球节点。 4）纵向系杆刚度差
Hale Waihona Puke 坍塌原因分析一.设计原因 二.施工原因
设计原因分析
1）平面桁架未设置纵向斜腹杆，结构整体稳定性差 《网架结构设计与施工规程》JGJ7-91第2.0.6条建议“平面形
状为矩形，多支点支撑网架，可根据具体情况选用：正方四角锥网 架、正放抽空四角锥网架、两向正交正放网架。”通过比较可以发 现，该工程所采用的网架结构同传统的两向正交正放网架相比，其 在四周增设了3层网架和正放四角锥网架，且中间的平面桁架又抽 除了纵向斜腹杆，横向桁架间仅在上、下弦平面和整体稳定性都发 生了很大变化。由于追求建筑上简洁、通透的效果，建筑师反对使 用正放四角锥网架，坚持采用桁架结构。同时，由于建筑通透感的 要求，再加上部分夹角过小，螺栓不好配，设计人员遂将受力较小 的纵向桁架斜腹杆抽除，以免结构显得凌乱。在这种情形下导致结 构的安全储备太低。此次因为割断一根杆件就导致大规模垮塌事故 发生，也正说明了这一点。

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。
焊接结构经常发生非过载脆性破坏的原因： ➢ 焊缝缺陷的存在，使裂纹萌生的概率增大。 ➢ 焊接结构中数值可观的残余应力，作为初应力场，与
荷载应力场的叠加可导致驱动开裂的不利应力组合。
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，安装宜采用螺栓连接。
3．应力
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。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 1)、结构形式 超静定结构：由于赘余构件的断裂一般不会导致整体结 构的失效，因此超静定结构对于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陷、 超静定结构可能会导致严重不利的内力重分布等问题。
用钢材，使之具有足够的韧性。 意在构造处理上缓和应力集中，以减小应力值。
力时，设置构造间隙有利于阻止裂缝的发展。否则， 在板的拼接中，不宜留狭
规范》(GB50017)依据疲劳性能由高到低的排列，把常
构造间隙的类裂纹作用十分有害。在它近旁的高度应 为外因的疲劳荷载，又有作为内因的断裂韧性，还有描
式中: ——为变幅疲劳的等效应力幅，按下式计算： 构的失效，因此超静定结构对于减少断裂的不良后果一
第八章钢结构的脆性断裂和疲 劳
③应力腐蚀断裂：在腐蚀性环境中承受静力或准静力 荷载作用的结构，在远低于屈服极限的应力状态下 发生的断裂破坏称为应力腐蚀断裂。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。
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105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。典型的低周疲劳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。