2011-第3章 钢结构的可能破坏形式

n n
结构强度破坏时会出现明显得变形，因此又称为塑性破坏( 延性破坏) 。 纯粹的强度破坏很少。因破坏过程中的明显变形将引发其它类型的破 坏发生。
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3.3.2 应力塑性重分布
n
3.3.2 应力塑性重分布
n
残余应力：
钢结构在轧制、冷加工和焊接制作过程中都会在构件截面产生应力，一 般是自相平衡的内力。但有时数值很大，甚至达到屈服点。
屈曲后极值型失稳
n
n
压弯杆件 9/36 10/36
3.1.2 失稳的类别
4. 有限干扰型失稳（不稳定分岔屈曲）
n
3.1.2 失稳的类别
5. 跳跃型失稳
n
与屈曲后极限型失稳相反，结构屈曲后承载力迅速下降，若结构有初始 缺陷时将不会出现屈曲现象而直接进入承载力较低的极值型失稳。 如：承受轴向荷载圆柱壳的失稳。
(3) 结构和构件的初始缺陷：
包括构件的初弯曲、初偏心、几何偏心以及残余应力等。
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3.2.1 局部失稳的概念
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§ 3.2 结构和构件的局部失稳、截面分类
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在保持整体稳定的条件下，结构中的局部构件或构件中的 板件已不能承受外荷载而失去稳定。 受压板件的失稳是屈曲后极值失稳，板件屈曲后仍有较大 的承载能力进入屈曲后强度阶段。
中南大学土木工程学院建筑工程系
第 3 章 钢结构的可能破坏模式
§3.1 结构的整体失稳破坏 §3.2 结构和构件的局部失稳、截面分类 §3.3 结构的塑性破坏、应(内)力重分布 §3.4 结构的疲劳破坏 §3.5 结构的损伤累积破坏 §3.6 结构的脆性断裂破坏
§ 3.1 结构的整体失稳破坏
3.1.1 关于稳定的概念 3.1.2 失稳的类别 3.1.3 结构稳定分析的原则 3.1.4 钢构件的整体稳定
第 3类：受弯并当边缘纤维达到屈服点时，板件不会局部失稳——弹性 设计截面 (非厚实截面 ) 第 4类：受弯时局部失稳，应利用屈曲后强度进行设计——超屈曲设计 截面 (纤细截面或薄柔截面)
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n
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3.3.1 结构的塑性破坏
n
§ 3.3 结构的塑性破坏、应(内)力重分布
n
在不发生整体失稳和局部失稳的条件下，内力随荷载的增加而增加， 当截面内力达到截面的承载力并使结构形成机构时，结构就丧失承载 力而破坏，称为结构的强度破坏。 在杆系结构中，结构的强度破坏都由受拉或受弯构件的强度破坏所引 起，受压构件一般发生失稳破坏。 受拉构件破坏过程：
(
)
β

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3.5 结构的损伤累积破坏
n n
在强度很大但反复次数不多的反复荷载作用下发生，故称低周疲劳断裂。 影响构件损伤累积破坏最重要的因素：应力集中和材料性能变脆。
§ 3.6 结构的脆性断裂破坏
3.6.1 结构脆性断裂 3.6.2 影响结构脆性断裂的因素
n
预防措施：
② 不宜在承受动载的结构或构件中利用，如桥梁、吊车梁等。因为： 这类结构动力荷载作用频繁，使局部失稳和变形也频繁出现，致使构件 或板件不断受到损伤，最终可能导致出现低周疲劳断裂或疲劳断裂。 ③ 可以利用，但有动力荷载时，局部失稳的临界荷载不能太小以防止 “呼 吸现象 ”的出现。
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(1) 对钢材和焊缝进行无损检测，尽量防止缺陷的存在； (2) 合理设计节点构造细节，减小三向拉应力使钢材变脆的危险性； (3) 构件和节点构造尽量减少应力集中； (4) 限制S、P 等有害杂质含量，防止钢材低温变脆； (5) 防止形成 “人工裂缝 ”。
n
l
Δσ给定时，提高疲劳寿命的方法：
减少初始缺陷： a1 →a0，增加Δ N1次 延迟瞬间断裂到C 点： B→C，增加Δ N2 次
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∆σ = σ max − ασ min
焊接部位：α =1.0；非焊接部位：α =0.7
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l
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3.4.5 提高疲劳强度和疲劳寿命的措施
n
l l l
减少应力集中，也能提高疲劳寿命：
在静态荷载和塑性破坏情况下，残余应力和应力集中现象不会影响构件 的强度。但对构件的失稳破坏、脆性断裂和疲劳破坏都有明显影响。 è 应采取措施减少残余应力和应力集中现象。
n
在应力达到屈服点时，因流幅的存在，不均匀应力将逐渐趋向均匀，最 终出现应力塑性重分布现象。 无论受弯还是受拉构件，只要钢材具有足够塑性，最终将形成塑性铰， 达到各自的极限应力状态。
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3.1.2 失稳的类别
2. 极值型失稳（第二类失稳、压溃）——失稳极限荷载或压溃荷载
n
3.1.2 失稳的类别
3. 屈曲后极值型失稳——屈曲后强度
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没有平衡分岔现象，结构变形随荷载的增加而增加，直到结构不能承受 增加的外荷载。 如：压弯杆件的失稳。
极值型失稳
开始有平衡分岔现象，但屈曲后并不立即破坏，有较显著的屈曲后强 度，能继续承载，直到极值型失稳。 如：薄壁构件中的受压翼缘板、腹板。
有限干扰型失稳
结构由初始平衡位置突然跳到另一个平衡位置，在跳跃过程中出现很 大的位移。 如：承受横向均布压力的球形扁壳。
跳跃型失稳 均 布 荷 载 作 用 下 的 坦 拱
n
n
均匀受压圆柱壳 11/36 12/36
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3.1.3 结构稳定分析的原则
(1)几何非线性的影响：
n
3.1.4 钢构件的整体稳定
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3.4.1 疲劳破坏现象
n n
3.4.3 疲劳强度的确定
n l
钢结构和钢构件的疲劳破坏不同于钢材的疲劳破坏。 钢结构或构件的初始缺陷成为疲劳破坏裂纹的起源，其破坏阶段分为 裂纹的扩展和最后断裂两个阶段。
对于焊接结构：
名义应力循环特征ρ ＝σ min/σ max 不能代表疲劳裂缝处的应力状态。 原因：焊缝附近存在着很大的焊接残余拉应力 实际应力状态：从受拉屈服点 fy开始变动一个应力幅Δσ＝σ max-σ min 焊接连接或焊接构件的疲劳强度直接与Δ σ 有关，而与ρ 的关系不大。
§ 3.4 结构的疲劳破坏
3.4.1 疲劳破坏现象 3.4.2 影响疲劳破坏的因素 3.4.3 疲劳强度的确定 3.4.4 几种情况的处理 3.4.5 提高疲劳强度和疲劳寿命的措施 3.4.6 出现疲劳裂缝后结构剩余寿命的估计
n
n
如能保证结构只发生强度延性破坏，即可用塑性设计对结构进行设 计，并能达到明显得经济效益。
n
局部失稳后仍有屈曲后强度的结构和构件，虽能继续承载， 但其整体失稳时的极限承载力将受到局部失稳而降低——局 部与整体相关稳定。 实际工程对局部失稳后屈曲强度的利用存在如下3种观点：
① 不宜利用，因为： 板件或构件失稳后出现明显的变形，不利于继续使用。
n
G D F D C B A F O A B E E P C
第 3 章 钢结构的可能破坏模式
主要内容：
Ø 结构的整体失稳破坏 Ø 结构的局部失稳、截面的分类 Ø 结构的塑性破坏、内力塑性重分布 Ø 结构的疲劳破坏、损伤累积破坏和脆性断裂破坏
主 讲：贺 学 军
u
重点：
Ø 结构的整体失稳、局部失稳 Ø 结构的塑性破坏、内力重分布 Ø 结构的疲劳破坏
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3.2.1 局部失稳的概念 3.2.2 局部与整体相关稳定 3.2.3 截面的分类问题
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3.2.1 局部失稳的概念
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3.2.2 局部与整体相关稳定
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在保持整体稳定的条件下，结构中的局部构件或构件中的 板件已不能承受外荷载而失去稳定。 受压板件的失稳是屈曲后极值失稳，板件屈曲后仍有较大 的承载能力进入屈曲后强度阶段。
构造细节合理设计，尽可能减少应力集中； 严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸； 除去对接焊缝表面余高部分，打磨角焊缝焊趾或端部，减少应力集中 的程度。
§ 3.5 结构的损伤累积破坏
3.4.6 出现疲劳裂缝后结构剩余寿命的估计
n
线弹性断裂力学理论分析：
N = ( ∆σ )
−β
da 1 a2 A ∫a1 1 α πa
3.4.2 影响疲劳破坏的因素
n n
l l
应力集中——主要因素 内在缺陷
非焊接结构：表面缺陷，轧制、切割、冷加工等过程产生的微裂纹 以及螺栓孔等 焊 接 结 构： 焊缝的外形及其缺陷，如气孔、咬边、夹渣、焊接裂 纹、起弧和灭弧处的不平整等
l
Δσ是控制疲劳破坏循环次数最主要的应力变量。
n n
残余应力 所处的环境：在有腐蚀性介质环境中，疲劳裂纹的扩展速率会受
(
)
1β
其中 ∑
ni =1 Ni
3.4.5 提高疲劳强度和疲劳寿命的措施
n n
3.4.4 几种情况的处理
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l
提高疲劳强度——在疲劳破坏循环次数给定情况下，提高应力幅的值 提高疲劳寿命——在应力幅的值给定情况下，提高疲劳破坏循环次数
非焊接结构：
残余应力的影响：ρ ≥0时，影响不大； ρ <0时，影响明显。 调整的应力幅准则：
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3.1.1 关于稳定的概念
结构整体失稳破坏：
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3.1.1 关于稳定的概念
结构整体失稳破坏：
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作用在结构上的外荷载尚未达到按强度计算得到的结构破 坏荷载时，结构已不能承担并产生较大的变形，整个结构 偏离原来的平衡位置而倒塌。
作用在结构上的外荷载尚未达到按强度计算得到的结构破 坏荷载时，结构已不能承担并产生较大的变形，整个结构 偏离原来的平衡位置而倒塌。
首先拉应力 达到屈服点 其次，构件进入塑性 变形，明显伸长 随后材料进入 强化阶段 最后，达到抗拉 强度后，构件拉断