钢结构的可能破坏形式

第3章钢结构的可能破坏形式 主要内容 钢结构破坏的原因 1 强度破坏 2 失稳破坏 3 疲劳破坏 4 变形破坏 5 脆性断裂破坏 6 重点 钢结构或钢构件各种可能的破坏形式及其有效的预防措施 设计和建造钢结构的目的是使结构能完成安全 适用 耐久的预定功能 达到技术先进 经济合理 安全适用 确保质量的要求 概述 3 1 钢结构主要的破坏形式 构件或节点 连接 的强度破坏 结构或构件的整体失稳破坏 结构或构件的局部失稳破坏 构件或节点 连接 的疲劳破坏 结构或构件的变形破坏 结构的脆性断裂破坏 强度破坏 3 2 在结构的整体稳定性和局部稳定性有保证的情况下 结构中某些构件截面上的内力达到极限承载力时 构件就发生强度破坏 钢构件的强度破坏很有可能进一步导致整体结构的强度破坏或其它形式的破坏 受弯钢构件的强度破坏 强度破坏 构件的强度破坏 整体结构的极限承载力破坏 受拉钢构件的强度破坏 整体失稳破坏 3 3 钢材的强度高 构件截面小 故受压构件的设计一般由稳定控制 钢构件的整体失稳 整体失稳破坏 钢结构的整体失稳 1 钢结构的整体失稳破坏 在外荷载逐渐增大的过程中 结构所承受的外荷载还没有达到按强度计算得到的结构强度破坏荷载时 结构已不能承载并产生较大变形 整个结构偏离初始的平衡位置而破坏 结构整体失稳破坏 结构的整体失稳破坏往往是由于结构中的某个构件或部件首先发生某种形式破坏而诱发产生的 整体失稳破坏 3 3 2 钢构件的整体失稳破坏 钢构件由于截面形式不同 受力状态不同 其整体失稳破坏的形式也不相同 1 2 3 弯曲失稳 双轴对称工字形截面轴心受压构件的整体失稳 单轴对称截面轴心受压构件绕非对称轴的失稳 轴心受压构件的整体失稳形式 扭转失稳 十字形截面轴心受压构件在满足一定条件时的整体失稳 弯扭失稳 单轴对称截面轴心受压构件绕对称轴的失稳 轴心受压杆件整体失稳的原因详见第5章 轴心受压构件的整体失稳形式 整体失稳破坏 3 3 2 钢构件的整体失稳破坏 受弯构件 梁 的整体失稳形式为弯扭失稳 梁整体失稳的原因详见第6章 截面具有对称轴的实腹式单向压弯构件的整体失稳形式 1 2 弯矩作用平面内 弯曲失稳 单向压弯构件的整体失稳形式 弯矩作用平面外 弯扭失稳 实腹式双向压弯构件的整体失稳形式为弯扭失稳 压弯杆件整体失稳的原因详见第7章 局部失稳破坏 3 4 1 结构的局部失稳 构件的局部失稳 局部失稳破坏 结构的局部失稳 指在外荷载逐渐增大的过程中 结构作为整体还没有发生强度破坏或整体失稳破坏 结构中的局部构件已经不能承受分配给它的内力而失去稳定 结构的局部失稳 已经失稳的局部构件刚度的不断退化 将使结构中其它构件的负载加重 有可能导致其它构件依次发生失稳 最终诱发整个结构失稳破坏 局部失稳破坏 3 4 2 构件的局部失稳 宽厚比太大的板在压力或剪力作用下容易发生屈曲 但并未完全丧失承载能力 钢构件的局部失稳会使构件的工作状况变坏 有可能导致构件提前发生强度破坏或整体失稳破坏 指在外荷载不断增大的过程中 钢构件还没有发生强度破坏或整体失稳破坏 而组成该构件的某些板件已不能承受分配给它的内力作用而失去稳定 发生侧向挠曲 构件的局部失稳 屈曲后强度 由于板件屈曲后存在着较大的横向张力 特别对于四边支承板件而言 而使板件屈曲后仍有很大的屈曲后承载能力 称为屈曲后强度 局部失稳破坏 3 4 2 构件的局部失稳 屈曲后强度的利用 普通钢结构构件 不利用受压翼缘的屈曲后强度 须满足相关的宽厚比限值 对于直接承受动力荷载作用的结构或构件 如桥梁 吊车梁等 也不利用腹板的屈曲后强度 只承受静力荷载作用下 可以利用腹板的屈曲后强度 以达到节约钢材的目的 能利用腹板屈曲后强度的普通钢结构构件有 受弯构件 轴心受压构件和压弯构件 局部失稳破坏 3 4 3 按板件宽厚比大小确定的构件截面分类 构件截面分类 第1类截面 塑性设计截面 特厚实截面 板件的宽厚比最小 第2类截面 弹塑性设计截面 厚实截面 板件宽厚比比第1类截面的大 第3类截面 弹性设计截面 非厚实截面 板件宽厚比大于第2类截面的宽厚比 第4类截面 超屈曲设计截面 纤细截面 薄柔截面 板件宽厚比最大 受压板件局部失稳时 宽厚比越大 屈曲荷载越小 根据不同的应用情况 可将构件截面按板件宽厚比的大小分为四类 见表3 1 疲劳破坏 3 5 详见第2章相关内容 3 6 变形破坏 钢结构变形破坏的实质是刚度失效造成的 结构的变形破坏 变形破坏 构件的变形破坏 引起钢结构变形破坏的主要原因有 设计不当 制造不当 使用不当等 钢材在连续反复荷载作用下 应力虽然还低于极限抗拉强度fu 甚至于还低于屈服点fy时 就突然发生脆性断裂 这种现象称为钢材的疲劳破坏 3 6 变形破坏 1 构件的变形破坏 在钢结构设计中 在钢结构的制造过程中 在钢结构的使用过程中 构件的刚度不满足设计要求 导致构件的变形过大而无法正常使用 正常安装 由于工艺不合理等原因而造成构件变形会直接影响到结构的美观 而且给结构构件的连接 安装带来很大的困难 随意改变结构的用途 或发生意外事故而使结构超载 也会导致钢构件的变形破坏事故发生 3 6 变形破坏 2 结构的变形破坏 钢结构设计中 如果结构支撑体系布置不够或布置不当 就有可能导致结构的变形破坏 结构的变形破坏也可能是由于施工安装不当引起的 结构变形破坏事故发生初期 由于变形过大而使结构无法正常使用 若不及时采取加固补救措施 随着变形的进一步增加 结构破坏的形式就很可能发生转变 往往会导致整体结构的垮塌 1 构件的变形破坏 构件的变形破坏主要导致结构适用性这一功能无法完成 但由于构件刚度失效将伴随产生较大的变形 可能导致其它构件依次发生变形破坏 从而可能诱发整体结构的失稳垮塌 3 7 脆性断裂破坏 1 脆性断裂破坏的特点 结构的脆性断裂破坏是结构各种可能破坏形式中最危险的一种破坏形式 脆性断裂破坏前 钢材的应力通常小于屈服点fy 不发生显著的变形 破坏突然发生 无任何预兆 应注意的是 疲劳断裂只是脆性断裂中的一种 2 脆性断裂破坏的主要原因 脆断破坏的主要原因 材质缺陷 应力集中和残余应力 使用环境温度 钢板厚度 3 7 脆性断裂破坏 3 防止脆性断裂的措施 防止脆性断裂的措施 合理选择钢材 合理设计 合理制作和安装 合理使用及合理维修 可能发生强度破坏的钢构件主要是轴心受拉构件和受弯构件 其他类型的钢构件往往不由强度条件控制设计 因此 一般不会发生强度破坏 本章小结及学习指导 失稳破坏是钢结构或钢构件的主要破坏形式 大多数钢构件或钢结构都是由稳定条件控制设计的 失稳破坏具有多样性 应正确区分结构整体失稳与构件整体失稳的不同 也应正确区分结构局部失稳与构件局部失稳的不同 失稳破坏具有多样性 应正确区分结构整体失稳与构件整体失稳的不同 也应正确区分结构局部失