钢结构的疲劳破坏事故讲解

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1.定义从宏观上讲，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。

2.脆性断裂破坏分类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。

摘要随着国民经济和科学技术的发展，钢结构的应用范围日趋广泛，由于其应用及结构形式发展较快，也带来一些新问题。

本文首先论述了钢结构的优点和应用前景，并从钢结构工程的深化设计、加工制作安装施工、使用过程的三个阶段出现的问题并导致结构的损伤与破坏的事故，结合生产生活中的实际案例对事故的类型、原因进行了解剖分析。

同时针对建筑工程中钢结构事故的破坏形式如：钢结构失稳，钢结构的脆性断裂，钢结构承载力和刚度失效，钢结构疲劳破坏和钢结构的腐蚀破坏等分析了产生事故的原因并提出了预防措施。

探讨了钢结构工程的深化设计开始把关，继而提出了做好钢结构构件加工质量的控制，并以严、准、细的要求控制钢结构施工安装的相应对策，将钢结构事故发生的可能性降到最低。

钢结构事故现象及原因分析一、钢结构的前景钢结构作为一种新型的结构体系，以其强度高、自重轻、塑性和韧性好、抗震性能优越、工厂化生产程度高、装配方便、造型美观、综合经济效益显著等一系列优点，受到国内外建筑师和结构工程师的青睐，近二十多年来，我国钢结构在工程建设中得到了更为广泛的应用，在材料、加工工艺、施工技术、理论分析和设计方法等诸方面都有了飞速发展和进步，应用钢结构已成为当前的一大“热点”，展现了其广阔的、具有强大生命力的前景。

在高层、大跨建筑领域显示出其无与伦比的优势。

钢结构的形式与应用范围是非常广泛的，在形式上有普钢结构、轻钢结构、空间结构、张拉结构等；应用范围，既有民用建筑钢结构、公共建筑钢结构、工业厂房钢结构、桥梁钢结构，又有特种构筑物(塔桅、储藏库、管道支架、栈桥等)钢结构等，既可应用于高度达400多米以上的高层建筑，跨度达200多米的空间结构，又可应用于几米跨度的建筑结构。

但任何事物都有着它的两面性，钢结构也有其自身的缺陷和不足，钢结构在具体应用中，也会存在一些质量问题，会发生一些工程事故，所以应采取一些积极措施加以预防[1]。

二、钢结构事故的原因（一）设计阶段的原因结构设计[2]方案不合理；计算简图不当，结构计算错误；对结构荷载实际受力情况估计不足；材料选择不宜(如强度、韧性、疲劳、焊条、焊丝、焊接方法、焊接性能等)；结构节点不合理或不完善；未充分考虑加工制作与安装施工和使用阶段工艺特点、防腐、防高温、防冷脆措施不足；没有按设计规范或没有相应的规范、规程规定。

钢结构事故分析及处理钢结构建筑的发展，也是一个国家钢产量、建筑技术发展的象征与标志，钢结构与其他的建筑结构相比，无论是结构的性能，还是使用功能及经济效益，都有较大的优越性，其优点有自重轻、预生成化程度高、钢材的塑性和韧性好、钢结构建筑更富有功能化、能满足超高和大跨度的要求、符合国家“绿色、环保、节能”的环保理念，但钢结构工程也有其弊端，其产生的原因、加固方法也呈多元化，主要影响因素：人员、材料、施工工艺、机械设备、环境因素。

一、钢结构材料引起的缺陷及事故钢结构具有塑性和韧性好、强度高、截面小、重量轻等许多优点。

但由于管理和质量检验等方面的原因，已建钢结构也存在比较多的问题，有些问题甚至反复出现。

实践表明，这些问题的产生大多与材料的选择、检验、使用、维护有关。

1、钢材性能与钢结构工程质量的联系（1）强度，钢材强度达不到要求与工程中调剂代换，钢材在流通领域的多次周转，数据传抄有误、库存混放，厂家生产钢材材质差，使用时质检不严等有关。

（2）塑性，具有良好塑性的钢材，在应力超过屈服强度后能产生显著的塑性（残余）变形而不立即断裂。

（3）韧性，冲击韧性指标是保证动载结构和焊接结构质量的基本指标，因为经常承受动力荷载的结构发生脆断的可能性打，而对于焊接结构，由于刚性较打，焊接残余应力也较大，焊缝附近的材质容易变坏，所以更易在动力荷载作用下脆断。

（4）可焊性，施工可焊性好，则在一定的焊接工艺条件下，焊缝金属和近缝区均不会产生裂纹，焊接接头和焊缝的冲击韧性以及缝区的塑性，均不会低于母材的力学性能。

（5）冷弯性能，冷弯性能指钢材在常温下加工生产塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。

它通过冷弯试验确定，良好的冷弯性能是保证钢材冷加工制作质量的先决条件。

（6）耐久性，钢材的耐久性是决定钢结构使用寿命的基本因素。

2、影响钢材性能的因素分析（1）化学成分钢的含碳量小于2%的铁碳合金，碳大于2%时则为铸铁，而碳素结构钢由纯铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占99%，碳及杂质元素约占1%。

钢结构事故中的疲劳破坏及腐蚀破坏摘要：本文分析了铜结构疲劳破坏及腐蚀破坏的原因，近而提出了提高和改善铜结构构件疲劳及腐蚀的措施，关键词:钢结构；疲劳；腐蚀；破坏引言钢结构相较于混凝土结构具有质量轻、塑性韧性好、易于采用工业化生产等优点，近年来在工民建，铁路，桥梁等结构中被大量采用。

然而钢结构在受到交变荷载的作用下极易产生脆性破坏，特别在承受行车动荷载的桥梁结构中此问题更为明显，在一定程度上阻碍了钢结构的发展。

鉴于此，本文在分析疲劳破坏及腐蚀破坏原因的基础上重点介绍工程设计预防疲劳破坏及腐蚀破坏的措施，以此来避免此问题的产生。

一，钢结构疲劳破坏钢结构的疲劳破坏是裂纹在重复或交变荷载作用下的不断开裂以及最后达到临界尺寸而出现的断裂。

此类破坏属脆性破坏。

由于在破坏发生前几乎观察不到构件的塑性发展过程。

没有破坏的征兆，然而一旦破坏后果严重，所以工程设计的任何一个领域无一例外的都要避免。

疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。

对于钢结构，实际上只有后两个阶段，因为在钢材生产和结构制造等过程中，不可避免地在结构的某些部位存在着局部微小缺陷，如钢材化学成分的偏析、非金属杂质；非焊接构件表面上的刻痕、轧钢皮的凹凸、轧钢缺陷和分层以及制造时的冲孔、剪边、火焰切割带来的毛边和裂纹在静荷载下，具有初始裂纹的构件当应力水平达到临界应力时才会出现失稳扩展，导致破坏。

而承受交变荷载的构件经历裂纹的缓慢扩展过程最终达到破坏时，破坏应力还远小于静荷载作用时的临界应力。

钢结构疲劳分析时，习惯上当循环次数N<105时称为低周疲劳：N>105时称为高周疲劳。

如果钢结构构件的实际循环应力特征和实际循环次数超过设计时所采取的参数，就可能发生疲劳破坏。

此外影响钢结构疲劳破坏的原因还有：结构构件中有较大应力集中区域：所用钢材的抗疲劳性能差：钢结构构件加工制作时有缺陷其中裂纹缺陷对钢材疲劳强度的影响比较大：钢材的冷热加工、焊接工艺所产生的残余应力和残余变形对钢材疲劳强度也会产生较大影响。

管理及其他M anagement and other 焊接钢结构疲劳破坏的机理及原因分析俞 骏摘要：随着经济的迅速发展，社会各个领域也得到进一步发展。

设备制造领域的发展速度也愈加飞速，此二者之间呈现着相互促进的态势，由此一来也就为设备制造业的发展创造出了较为优质的环境。

在现阶段的发展中，焊接工艺技术已开始频繁的运用于工程项目的建造中，要提高工程施工产品质量，要非常重视优化钢构焊接工艺技术，深刻认识焊接工艺的必要性，以提高工程焊缝品质和整体水平，为建筑行业的发展拓宽了发展空间。

关键词：焊接；钢结构；细节疲劳；裂纹成因；解决对策1 钢结构焊接变形的种类和起因钢结构件焊接变形，一般是由多种因素造成的，造成变形的相关因素归纳总结如下，焊接变形主要分为三种：延伸变形，扭曲变形和焊缝变形。

其中延伸变形是由材料的温度变化引起材料热膨胀系数变化导致的。

扭曲变形是由焊接时的方法和顺序不同，引起材料局部的结构承载能力变化所产生的。

另外，整体结构中的焊缝位置的选择不当，也会导致焊缝的处的受力形式和大小改变，从而形成焊缝变形。

1.1 材料和温度不同的钢材有不同的温度和不同的热胀与冷缩系数。

因此焊接加热时对温度也有较高的要求。

温度有高有低，特别是在高温或即将达到金属的温度时。

它们的热膨胀效应是完全不同的。

这种差异的影响也称为变形。

就算是同一类金属材料，当温度升高时，焊缝和周围区域也会延伸，从而引起变形。

在焊接的过程中，焊接部分的温度变化会十分剧烈，选用不同的焊材和母材都会对焊接效果形成一定的影响，其中主要是由材料的热学性能和力学性能差异性所导致的，每一种材料都有其独特的热学性能，这就意味着不同材料的热传导系数不一样，在同样的温度变化条件下，热传导性能大的材料，往往会产生比较小的变形。

在不同材料的力学性能研究中，热膨胀系数对材料焊接的影响尤为重要，材料的形变会随着系数的降低而显著减少。

在不断的焊接升温过程中，就算是同种材料的屈服极限和弹性模量也会产生变化，一般而言，材料的弹性模量的减小会导致材料形变的加剧，另外，较高的屈服极限可能会使得焊接结构处收到较大的内力影响，加剧了材料损坏的风险性。

钢结构材料疲劳分析钢结构是工程中常见的一种结构形式，具有强度高、稳定性好等特点，常用于建筑、桥梁、机械设备等领域。

在使用过程中，钢结构可能会受到变化的荷载作用，长时间的循环载荷会导致疲劳现象的产生，进而影响结构的安全性。

因此，对钢结构材料的疲劳分析显得尤为重要。

1. 疲劳破坏机理疲劳破坏是指在循环载荷作用下，结构或材料经过多次应力循环后发生破坏的现象。

疲劳破坏的机理主要包括应力集中、裂纹扩展和最终破坏三个阶段。

在应力集中阶段，材料局部受到较高的应力，导致应力集中现象，进而使材料表面产生微小的裂纹。

随着循环载荷的不断作用，裂纹逐渐扩展，并最终导致破坏。

2. 疲劳分析方法（1）S-N曲线法：S-N曲线是指应力振幅与循环次数之间的关系曲线，通常用来描述材料的疲劳性能。

通过实验获得的S-N曲线可以帮助工程师预测材料在不同应力水平下的寿命。

（2）裂纹扩展速率法：裂纹扩展速率是指裂纹在单位时间内扩展的长度，通过裂纹扩展速率的研究可以评估材料的疲劳寿命和裂纹扩展的规律。

（3）应力比法：应力比是指最小与最大应力之比，在疲劳分析中，应力比对材料的疲劳性能具有重要影响，工程师通过引入应力比来评估材料在不同应力状态下的寿命。

3. 疲劳分析实例以一座桥梁为例，桥梁在使用过程中会受到车辆的荷载，随着车辆的来往，桥梁结构会不断受到循环载荷的作用，可能导致疲劳破坏。

通过对桥梁的疲劳分析，工程师可以确定桥梁的疲劳荷载范围，预测桥梁的疲劳寿命，从而采取有效的维护措施，保障桥梁的安全可靠。

4. 结语钢结构材料的疲劳分析是工程中的重要课题，通过研究疲劳破坏机理和采用合适的疲劳分析方法，可以有效预测材料的疲劳寿命，保障结构的安全运行。

工程师在设计和维护钢结构时，应加强对疲劳分析的重视，确保结构的稳定性和可靠性。

钢结构的疲劳分析钢结构的疲劳分析是关于钢结构在长期使用过程中可能出现的疲劳破坏情况进行研究和评估的过程。

疲劳破坏是一种多发性损伤，它发生在结构在交变载荷作用下经历了许多循环应力的情况下。

钢结构的疲劳分析对于确保结构的安全性和可靠性至关重要。

1. 疲劳破坏机理钢结构的疲劳破坏机理主要与材料的微观缺陷和外部载荷之间的相互作用有关。

在结构受到交变载荷作用时，应力集中可能导致应力水平超过了材料的疲劳极限，从而引发微裂纹的形成和扩展。

随着载荷的循环应用，微裂纹逐渐扩展并最终导致结构的疲劳破坏。

2. 疲劳分析方法疲劳分析一般可以通过以下几种方法进行：2.1 应力范围法：应力范围法是最常用的一种疲劳分析方法。

它基于SN曲线（也称为疲劳寿命曲线），将钢结构在不同应力范围下的疲劳寿命进行了实验和统计，从而用于预测结构在实际工况下的寿命。

这种方法可以通过确定应力范围大小和应力周期的次数来进行结构疲劳寿命的评估。

2.2 线性累积损伤法：线性累积损伤法是一种基于线性累积损伤理论的疲劳分析方法。

它通过考虑结构在交变载荷下的应力历程和应变历程，计算结构在不同工作年限下的累积疲劳损伤，从而评估结构的寿命。

这种方法更加精确，可以对结构在复杂工况下的疲劳性能进行更全面的考虑。

3. 影响疲劳寿命的因素疲劳寿命不仅取决于材料的性能，还受到多种因素的影响。

下面是一些影响疲劳寿命的因素：3.1 材料强度和硬度：材料的强度和硬度直接影响材料的抗疲劳性能。

通常情况下，强度越高、硬度越大的材料，其抗疲劳性能越好。

3.2 表面处理：合适的表面处理可以提高钢结构的抗疲劳性能。

例如，表面喷涂防腐处理、防锈涂层等可以减轻外部环境对钢结构的腐蚀和疲劳破坏。

3.3 组织结构和缺陷：材料的组织结构和缺陷对疲劳性能有显著影响。

粗大晶粒、裂纹、夹杂物等缺陷都会降低钢结构的抗疲劳性能。

4. 钢结构疲劳分析的工程应用钢结构疲劳分析在工程实践中有着广泛的应用。

它可以用于计算结构的疲劳寿命，从而指导结构设计和维护。