焊接钢结构断裂与疲劳

焊接钢结构断裂与疲劳焊接钢结构断裂与疲劳 同济大学 建筑工程系同济大学 建筑工程系 童乐为童乐为 硕士研究生课程硕士研究生课程 高等钢结构理论高等钢结构理论 内容提要内容提要 焊接结构的发展和特点 焊接结构断裂与疲劳的事例 焊接结构的发展和特点 焊接结构断裂与疲劳的事例 焊接结构断裂的基本概念和影响因素 断裂力学基本理论 防止焊接结构断裂的措施 焊接结构断裂的基本概念和影响因素 断裂力学基本理论 防止焊接结构断裂的措施 焊接结构疲劳问题的基本概念 影响焊接结构疲劳强度的因素 焊接结构疲劳设计的基本思想和方法 断裂力学在焊接结构疲劳问题上的应用 焊接结构变幅疲劳问题的评估 焊接结构疲劳问题的基本概念 影响焊接结构疲劳强度的因素 焊接结构疲劳设计的基本思想和方法 断裂力学在焊接结构疲劳问题上的应用 焊接结构变幅疲劳问题的评估 绪 论绪 论 断 裂断 裂 疲 劳疲 劳 断裂与疲劳问题断裂与疲劳问题参考书目参考书目 （1）英英T.R. 格尔内，焊接结构的疲劳，机械工业出版社，格尔内，焊接结构的疲劳，机械工业出版社，1988。 （2）焦馥杰，焊接结构分析基础，上海科学技术出版社，）焦馥杰，焊接结构分析基础，上海科学技术出版社，1991。 （3）德德D. 拉达伊，焊接结构疲劳强度，机械工业出版社，拉达伊，焊接结构疲劳强度，机械工业出版社，1994。 （4）霍立兴，焊接结构工程强度，机械工业出版社，）霍立兴，焊接结构工程强度，机械工业出版社，1995。 （5）陈绍蕃，钢结构设计原理，科学出版社，）陈绍蕃，钢结构设计原理，科学出版社，2000。 （6）荷荷J.Wardenier, 钢管截面的结构应用，同济大学出版社，钢管截面的结构应用，同济大学出版社，2004。 （ 。 （7）N.E. Dowling, Mechanical Behavior of Materials, Pearson Prentice Hall, 20007 焊接结构的发展历史焊接结构的发展历史 ?公元前已经出现了金属焊接公元前已经出现了金属焊接 ?19世纪末现代焊接技术开始发展世纪末现代焊接技术开始发展 ?1910年药皮焊条开始得到推广年药皮焊条开始得到推广 ?1920s电弧焊首次用于钢结构，第一艘全焊远洋轮船建成电弧焊首次用于钢结构，第一艘全焊远洋轮船建成 ?1930s工业先进国家开始大规模制造焊接钢结构工业先进国家开始大规模制造焊接钢结构 ?目前焊接钢结构已用于建筑、桥梁、船舶、气柜、油罐、机械 设备、海洋平台等 目前焊接钢结构已用于建筑、桥梁、船舶、气柜、油罐、机械 设备、海洋平台等 ?国际上焊接结构的钢材强度极限已达到国际上焊接结构的钢材强度极限已达到2000MPa水平水平 焊接钢结构的优点焊接钢结构的优点 ?水密性和气密性好水密性和气密性好 ?节省钢材，减轻结构重量节省钢材，减轻结构重量 比铆接、栓接结构轻比铆接、栓接结构轻1020 ?厚度基本上不受限制厚度基本上不受限制 现代压力容器板厚已达现代压力容器板厚已达300mm。 ?构造简单，生产效率高，施工方便快速构造简单，生产效率高，施工方便快速 ?焊接接头工作效能较高焊接接头工作效能较高 接头系数（接头强度接头系数（接头强度/母材强度）母材强度）100 一般对焊接头：系数可达一般对焊接头：系数可达100， 铆栓接头 ：系数难以达到铆栓接头 ：系数难以达到100 焊缝连接焊缝连接 铆钉连接铆钉连接 螺栓连接螺栓连接 焊接钢结构的缺点焊接钢结构的缺点 ?焊接钢结构的止裂性能差焊接钢结构的止裂性能差 焊接结构如果裂纹一旦开始扩展，就难以止住；而铆 接、栓接结构中裂纹扩展到孔洞边缘处会终止 焊接结构如果裂纹一旦开始扩展，就难以止住；而铆 接、栓接结构中裂纹扩展到孔洞边缘处会终止 ?焊接过程易产生气孔、裂纹、夹渣等各类缺陷焊接过程易产生气孔、裂纹、夹渣等各类缺陷 ?焊接结构中存有残余应力和残余变形焊接结构中存有残余应力和残余变形 ?对材料敏感对材料敏感 一些高强度钢焊接时极易产生裂纹，并对缺陷敏感一些高强度钢焊接时极易产生裂纹，并对缺陷敏感 焊接钢结构的断裂、疲劳破坏焊接钢结构的断裂、疲劳破坏 ? 1920s年代以来，就不断出现焊接结构的破坏事故，直到 目前，还是时有发生。 年代以来，就不断出现焊接结构的破坏事故，直到 目前，还是时有发生。 ? 虽然事故逐年下降，但由于焊接结构的应用范围十分普 遍，有些结构又极为重要，少数破坏事故造成人身和财产 的重大损失。 虽然事故逐年下降，但由于焊接结构的应用范围十分普 遍，有些结构又极为重要，少数破坏事故造成人身和财产 的重大损失。 ? 早期的破坏使人们对焊接结构的可靠性产生了怀疑。早期的破坏使人们对焊接结构的可靠性产生了怀疑。 美国气罐断裂破坏个案美国气罐断裂破坏个案 1944年美国克里夫兰的气罐爆炸事故，首先从一个 直径 年美国克里夫兰的气罐爆炸事故，首先从一个 直径24m、高、高13m的双层立式圆筒贮罐引发。的双层立式圆筒贮罐引发。 该气罐因施工焊接质量不好，产生大量裂纹，使用 时造成液化天然气外泄，引起大火，随后罐区中数 个圆筒形及球形贮罐相继爆炸。 该气罐因施工焊接质量不好，产生大量裂纹，使用 时造成液化天然气外泄，引起大火，随后罐区中数 个圆筒形及球形贮罐相继爆炸。 事故造成事故造成128人死亡， 经济损失达 人死亡， 经济损失达680万美元万美元 美国桥梁断裂破坏个案美国桥梁断裂破坏个案（续一）（续一） 1967年年12月月15日下午美国普莱森特角悬索桥因一吊杆断 裂而在 日下午美国普莱森特角悬索桥因一吊杆断 裂而在60秒内倒塌。秒内倒塌。 46人丧生，人丧生，37辆各种车辆掉入河中。辆各种车辆掉入河中。 普莱森特角普莱森特角 悬索桥（悬索桥（3跨）跨） 美国桥梁断裂破坏个案美国桥梁断裂破坏个案（续二）（续二） 吊杆耳环断裂吊杆耳环断裂 整桥倒塌整桥倒塌 美国、加拿大桥梁疲劳破坏事故美国、加拿大桥梁疲劳破坏事故 1978 1981年美国对其年美国对其20个州和加拿大安大略省 的钢桥进行调查， 个州和加拿大安大略省 的钢桥进行调查，81%的桥梁有疲劳裂纹出现。的桥梁有疲劳裂纹出现。 从桥梁建成通车到出现疲劳裂纹，最长的从桥梁建成通车到出现疲劳裂纹，最长的33年， 最短的 年， 最短的5年，大多数是年，大多数是10多年时间。多年时间。 美国桥梁疲劳破坏个案美国桥梁疲劳破坏个案 Yellow Mill Pond 桥桥 热轧工字钢和热轧工字钢和184mm厚钢筋混凝土 板共同工作的简支结合梁桥 厚钢筋混凝土 板共同工作的简支结合梁桥 1958年建成通车，年建成通车，19701976年间 共发现疲劳裂纹 年间 共发现疲劳裂纹40多条多条 主梁翼缘焊趾裂纹 主梁腹板上裂纹（长 主梁翼缘焊趾裂纹 主梁腹板上裂纹（长400mm） 美国原子能电站 焊接钢结构破坏原因的统计 美国原子能电站 焊接钢结构破坏原因的统计 破坏原因破坏原因占总数的比例（）占总数的比例（） 设计不良设计不良18.3 材料选择不当材料选择不当30.1 制造质量欠佳制造质量欠佳10.6 安装、施工不好安装、施工不好12.6 使用操作不当使用操作不当27.2 我国土木工程领域疲劳破坏我国土木工程领域疲劳破坏 ?大量疲劳破坏发生在工业厂房吊车梁、桥梁、海洋石油平台等大量疲劳破坏发生在工业厂房吊车梁、桥梁、海洋石油平台等 ?1980年代建设的宝钢许多厂房吊车梁在年代建设的宝钢许多厂房吊车梁在1999年疲劳开裂年疲劳开裂 ?1997年建设开通的广东虎门大桥年建设开通的广东虎门大桥2003年开始不断出现疲劳裂纹年开始不断出现疲劳裂纹 虎门大桥虎门大桥 悬索桥悬索桥 主跨主跨888m 偏平流线型箱梁偏平流线型箱梁 钢侨面板钢侨面板 混凝土路面混凝土路面 双向双向6车道车道 虎门大桥钢桥面板疲劳裂纹实况虎门大桥钢桥面板疲劳裂纹实况 疲劳裂纹概况疲劳裂纹概况 ?2003年(通车5年后)发现2条裂纹2003年(通车5年后)发现2条裂纹 ?2007年9月发现103条裂纹2007年9月发现103条裂纹 ?2008年3月发现561条裂纹2008年3月发现561条裂纹 ?多次局部修补未见良好效果多次局部修补未见良好效果 裂纹裂纹 裂纹裂纹 裂纹裂纹 裂纹裂纹 裂纹裂纹 原因原因 ?年交通流量增长年交通流量增长20，07年年6.3万辆万辆/天天 ?车辆超重极其严重车辆超重极其严重 ?焊接质量欠佳，疲劳问题认识不足焊接质量欠佳，疲劳问题认识不足 焊接钢结构破坏增多原因分析焊接钢结构破坏增多原因分析 起源于焊接结构的不利因素起源于焊接结构的不利因素 结构的构造越来越复杂结构的构造越来越复杂 使用条件越来越恶劣（如低温、海洋环境等）使用条件越来越恶劣（如低温、海洋环境等） 荷载、钢材强度、板厚等都越来越大荷载、钢材强度、板厚等都越来越大 设计计算方法越来越先进精细，安全储备降低设计计算方法越来越先进精细，安全储备降低 金属断裂的基本概念金属断裂的基本概念 断裂（断裂（Fracture）分类）分类 ?断裂断裂 当金属材料所受载荷大于所能承受的极限载荷时当金属材料所受载荷大于所能承受的极限载荷时 ?按裂纹扩展的路径分：穿晶断裂和晶间断裂按裂纹扩展的路径分：穿晶断裂和晶间断裂 ?按断裂时变形大小分：延性(或韧性，或塑性)断裂和脆性断裂按断裂时变形大小分：延性(或韧性，或塑性)断裂和脆性断裂 ?按宏观形态的方位分：正断(断口与受力方向垂直)和切断按宏观形态的方位分：正断(断口与受力方向垂直)和切断 ?实际断裂会很复杂，常不是单一机制，而是多种机制的混合断裂。实际断裂会很复杂，常不是单一机制，而是多种机制的混合断裂。 穿晶型断裂穿晶型断裂晶间型断裂晶间型断裂 断 口 断口面上人字形花纹 断 口 断口面上人字形花纹 延 性 脆 性 延 性 脆 性 影响金属断裂的因素影响金属断裂的因素 ?内在因素（材料组织）和外界因素（工作条 件）都会影响金属断裂的型式。 内在因素（材料组织）和外界因素（工作条 件）都会影响金属断裂的型式。 ?影响因素影响因素 (1)化学成分化学成分 (2)内部组织内部组织 (3)环境温度环境温度 (4)应力集中应力集中 (5)多向应力多向应力 (6)板的厚度板的厚度 (7)加载速率加载速率 板厚和加载速率的影响板厚和加载速率的影响 韧性随板厚的变化韧性随板厚的变化 韧性随加载速率的变化韧性随加载速率的变化 落锤落锤 V V 形缺口形缺口形缺口形缺口 冲击冲击冲击冲击 冲击试验冲击试验 结构抗断裂设计的发展结构抗断裂设计的发展 结构件强度设计结构件强度设计 ?要求： 要求： f = fy/ 或 或 fy/ n 抗力分项系数，抗力分项系数， n 安全系数安全系数 ?一般认为这样设计不会产生（或大的）塑性变形，更不 会发生断裂。 一般认为这样设计不会产生（或大的）塑性变形，更不 会发生断裂。 ?实践证明上述强度条件仅能保证构件不发生塑性变形， 不能防止脆性断裂。 实践证明上述强度条件仅能保证构件不发生塑性变形， 不能防止脆性断裂。 ?高强度材料构件会在远低于屈服强度的状态下发生脆性 断裂。这种低应力断裂有时也会发生在中、低强度材料 的构件中。 高强度材料构件会在远低于屈服强度的状态下发生脆性 断裂。这种低应力断裂有时也会发生在中、低强度材料 的构件中。 结构抗断裂设计的发展结构抗断裂设计的发展（续）（续） ?为防止脆性断裂，还须对所用材料的塑性为防止脆性断裂，还须对所用材料的塑性(、)和冲击韧性和冲击韧性(k) 以及脆性转变温度以及脆性转变温度(Tk)提出一定要求。实践证明，这一措施对保证 安全起到了重要作用。 提出一定要求。实践证明，这一措施对保证 安全起到了重要作用。 ?这种方法也存在着缺点。各种材料和工作条件下，这些力学参数 具体要求多大，无法进行计算，只能依靠经验来确定。 这种方法也存在着缺点。各种材料和工作条件下，这些力学参数 具体要求多大，无法进行计算，只能依靠经验来确定。 ?对有裂纹的材料和结构的力学行为无能为力。对有裂纹的材料和结构的力学行为无能为力。 ?往往会出现为保证安全，对上述性能指标要求过高的现象，使材 料的用量增多，经济性下降。 往往会出现为保证安全，对上述性能指标要求过高的现象，使材 料的用量增多，经济性下降。 ?上述情况迫切要求从理论上加以研究，断裂力学理论有所作为。上述情况迫切要求从理论上加以研究，断裂力学理论有所作为。 理想与实际金属材料强度的差别理想与实际金属材料强度的差别 ?理想金属材料是指理想金属材料是指不含任何宏观和微观缺陷不含任何宏观和微观缺陷的结晶体的结晶体 ?推算理论强度时，常假定弹性体所有的推算理论强度时，常假定弹性体所有的分离能分离能都用于产生两个新的表面。都用于产生两个新的表面。 ?推导得出理论强度推导得出理论强度th的数学表达式为：的数学表达式为： th ( ESa )1/2 式中：式中：E 弹性模量； 弹性模量；S 单位面积上的表面能；单位面积上的表面能；a晶体的晶格常数。晶体的晶格常数。 ?例如钢材例如钢材: a310-7，E =2.05105 Nmm，S =10-3Nmmmm2 则则: th 26140 N/mm2 ?现代高强度钢的现代高强度钢的b最大也只不过最大也只不过2100Nmm2，金属材料的实际强度与理 论强度差异巨大 ，金属材料的实际强度与理 论强度差异巨大 ?研究发现在实际金属材料中存有原子排列不规则性、微观甚至宏观缺陷和 非金属夹杂物。 研究发现在实际金属材料中存有原子排列不规则性、微观甚至宏观缺陷和 非金属夹杂物。 断裂力学的特点断裂力学的特点 ?断裂力学断裂力学 研究含有研究含有裂纹状缺陷裂纹状缺陷的材料和构件的破坏本 质，用定量的方法来确定承载裂纹体扩展的规律及产生失 效条件的工程强度学科。 的材料和构件的破坏本 质，用定量的方法来确定承载裂纹体扩展的规律及产生失 效条件的工程强度学科。 ?任何工程结构都不可避免有类似裂纹的缺陷存在，是断裂 力学理论存在的前提。 任何工程结构都不可避免有类似裂纹的缺陷存在，是断裂 力学理论存在的前提。 ?以上与连续介质力学认为材料是以上与连续介质力学认为材料是完整的、无缺陷的和连续完整的、无缺陷的和连续 的物体有本质差别。的物体有本质差别。 断裂力学基本理论断裂力学基本理论 ?断裂力学的两大分支：断裂力学的两大分支： ? 线弹性断裂力学线弹性断裂力学(LEFMLinear Elastic Fracture Mechanics) 研究裂纹尖端完全研究裂纹尖端完全弹性变形弹性变形及及小范围屈服小范围屈服的断裂问题的断裂问题 (脆性材料、高强度金属材料脆性材料、高强度金属材料) ? 弹塑性断裂力学弹塑性断裂力学(EPFMElastic - Plastic Fracture Mechanics) 研究裂纹尖端研究裂纹尖端大范围屈服大范围屈服和和全范围屈服全范围屈服的断裂问题的断裂问题 (中、低强度材料中、低强度材料) 裂纹尖端的塑性区大小裂纹尖端的塑性区大小 根据裂纹尖端塑性区 的尺寸大小，将断裂 问题分为小范围、大 范围和全范围屈服的 三种范畴。 根据裂纹尖端塑性区 的尺寸大小，将断裂 问题分为小范围、大 范围和全范围屈服的 三种范畴。 小范围大范围全范围小范围大范围全范围 线弹性断裂力学基础线弹性断裂力学基础 ?线弹性断裂力学的研究对象是线弹性断裂力学的研究对象是含裂纹的线弹性体含裂纹的线弹性体。 ?它应用线弹性理论，可从它应用线弹性理论，可从两个角度两个角度分析裂纹体的力学性能：分析裂纹体的力学性能： （1）通过分析含裂纹体的应力应变场，得到表征裂纹尖端应力应变 场强度的特征参数 ）通过分析含裂纹体的应力应变场，得到表征裂纹尖端应力应变 场强度的特征参数应力强度因子应力强度因子K (Stress Intensity Factor)； （2）从能量的观点出发，考察裂纹扩展过程中能量的变化，得到表 征裂纹扩展的能量变化的参数 ）从能量的观点出发，考察裂纹扩展过程中能量的变化，得到表 征裂纹扩展的能量变化的参数能量释放率能量释放率G (Energy Release Rate)。 裂纹类型裂纹类型 模型模型I 张开型张开型模型 滑开型模型 滑开型模型 撕开型模型 撕开型 依据裂纹受力状况不同， 产生三种基本开裂类型 依据裂纹受力状况不同， 产生三种基本开裂类型 ?I型型(张开型张开型)：受垂直于裂纹面的受垂直于裂纹面的拉应力拉应力作用。作用。 ?型型(滑开型滑开型)：受平行于裂纹面、同时垂直于裂纹前缘的受平行于裂纹面、同时垂直于裂纹前缘的剪应力剪应力作用作用 ?型型(撕开型撕开型)：受平行于裂纹面、同时平行于裂纹前缘的受平行于裂纹面、同时平行于裂纹前缘的剪应力剪应力作用作用 ?三种类型中，以三种类型中，以I型断裂最常见、最基本、也最危险 。型断裂最常见、最基本、也最危险 。 裂纹尖端附近的应力场裂纹尖端附近的应力场 ? 由弹性理论平面问题分析，裂纹尖端附近任意点由弹性理论平面问题分析，裂纹尖端附近任意点 A(r,) r a的应力分量为：的应力分量为： 图图b 裂纹尖端应力场坐标系裂纹尖端应力场坐标系 图图a 无限宽板，双向受力， 长 无限宽板，双向受力， 长2a 穿透板厚的裂纹穿透板厚的裂纹 a I =K上式中共同因子上式中共同因子 2 2 2 = 3 sinsin1cos r 2 I x K 2 2 + 2 = 3 sinsin1cos r 2 I y K 2 3 coscossin r 2 I xy 2 2 = K I 型 裂纹 型 裂纹 ) yxz +( =0 yzxz =平面应变状况时平面应变状况时 裂纹尖端附近的应力场裂纹尖端附近的应力场（续）（续） ? 在裂纹延长线上在裂纹延长线上(x 轴轴)，=0 处处 小范围屈服条件下的裂纹尖端弹性应力场小范围屈服条件下的裂纹尖端弹性应力场 r 2 I yx K = 0 xy = 拉伸正应力最大，裂纹容易沿 此平面向外扩展 拉伸正应力最大，裂纹容易沿 此平面向外扩展。 应力强度因子应力强度因子 ?不同形状的物体和受载方式，裂纹尖端附近应力场分布的结构相同。不同形状的物体和受载方式，裂纹尖端附近应力场分布的结构相同。 ?各应力分量与各应力分量与 Ki成正比，成正比，Ki是独立于是独立于r和的参量。和的参量。 ?各应力分量与各应力分量与r的平方根成反比，离裂纹尖端越近应力越大，应力场具有奇异性。的平方根成反比，离裂纹尖端越近应力越大，应力场具有奇异性。 ?各应力分量与角分布函数工各应力分量与角分布函数工fij()成正比。成正比。 ?各应力分量中有一个共同因子各应力分量中有一个共同因子Ki，对任意给定点，应力分量完全由，对任意给定点，应力分量完全由Ki决定。决定。 ?Ki表示名义应力作用下裂纹前端应力场的强弱程度，称表示名义应力作用下裂纹前端应力场的强弱程度，称Ki为为应力场强度因子。应力场强度因子。 )(f r 2 ij i ij = K ) III II, I,i ( = 裂纹尖端附近应力场和裂纹尖端附近应力场和 K 的特点的特点 I、II、III型裂纹 应力场分量通式 型裂纹 应力场分量通式 应力强度因子一般表达式应力强度因子一般表达式 ?应力强度因子是载荷应力强度因子是载荷(加载方式、大小加载方式、大小)、裂纹体几何、裂纹体几何(形 状、大小 形 状、大小)的函数的函数 I 型裂纹 应力强度因子通式 型裂纹 应力强度因子通式 aY I =K 式中：应力；式中：应力；a裂纹尺寸；裂纹尺寸； Y应力强度因子修正系数应力强度因子修正系数 常见裂纹体常见裂纹体应力强度因子修正系数应力强度因子修正系数 Y Y 应力强度因子与应力集中系数的区别应力强度因子与应力集中系数的区别 ?应力强度因子应力强度因子K表征了表征了裂纹前端裂纹前端附近的应力场强弱程度，代替应 力作为衡量线弹性裂纹体断裂强度的有效力学参量。 附近的应力场强弱程度，代替应 力作为衡量线弹性裂纹体断裂强度的有效力学参量。 ?它不同于应力分量，也不同于理论应力集中系数它不同于应力分量，也不同于理论应力集中系数。 ) b a ( 21 max T += K aY I =K 应力强度因子 （ I型裂纹体） 应力强度因子 （ I型裂纹体） 应力集中系数 （椭圆孔平板） 椭 圆 孔 的 应 力 集 中 应力集中系数 （椭圆孔平板） 椭 圆 孔 的 应 力 集 中 线弹性裂纹体的断裂判据线弹性裂纹体的断裂判据 或或 ?KIC（或（或 KC）反映了材料抵抗裂纹失稳扩展的能力，是材料一个重 要的力学性能指标。 ）反映了材料抵抗裂纹失稳扩展的能力，是材料一个重 要的力学性能指标。 ?以上公式说明应力大小和裂纹尺寸相互影响着裂纹体的断裂行为。以上公式说明应力大小和裂纹尺寸相互影响着裂纹体的断裂行为。 ?工作中的结构件容许存在裂纹，关键是在给定的应力作用下，裂纹 尺寸是否过大以致失稳扩展而断裂。 工作中的结构件容许存在裂纹，关键是在给定的应力作用下，裂纹 尺寸是否过大以致失稳扩展而断裂。 C II KaYK = CI KaYK = （平面应变） （平面应力） （平面应变） （平面应力） 时，裂纹发生失稳扩展并断裂。时，裂纹发生失稳扩展并断裂。 IC K C K 称为断裂韧性称为断裂韧性 裂纹尖端塑性区修正裂纹尖端塑性区修正 ?KI仅适用于裂纹尖端附近完全为仅适用于裂纹尖端附近完全为弹性弹性的状况的状况 ?一般结构钢在裂纹尖端或多或少存在一般结构钢在裂纹尖端或多或少存在塑性变形塑性变形区（屈服 区），当屈服区小于裂纹尺寸，称为小范围屈服。 区（屈服 区），当屈服区小于裂纹尺寸，称为小范围屈服。 ?研究表明对裂纹尖端的塑性区进行修正，小范围屈服的 裂纹体仍可应用线弹性断裂力学。 研究表明对裂纹尖端的塑性区进行修正，小范围屈服的 裂纹体仍可应用线弹性断裂力学。 考虑塑性区的影响后， 应力强度因子表达式为： 考虑塑性区的影响后， 应力强度因子表达式为： ）（ 0 Ira =K 确定应力强度因子的方法确定应力强度因子的方法 复变函数法复变函数法 权函数法权函数法 有限元法有限元法 电阻应变片法电阻应变片法 光弹法光弹法 全息干涉法全息干涉法 实验方法实验方法 理论计算方法理论计算方法 弹塑性断裂力学基本概念弹塑性断裂力学基本概念 ?对金属材料，裂纹前端不可避免有屈服。若屈服尺寸较小，即在小范 围屈服情况下，引入有效裂纹的概念予以修正，线弹性断裂力学分析 仍然适用。 对金属材料，裂纹前端不可避免有屈服。若屈服尺寸较小，即在小范 围屈服情况下，引入有效裂纹的概念予以修正，线弹性断裂力学分析 仍然适用。 ?对高强度钢，屈服强度对高强度钢，屈服强度fy高，高，KIC又低，则塑性区尺寸很小（正比于又低，则塑性区尺寸很小（正比于 (KIC/ fy)2），能满足小范围屈服的要求。），能满足小范围屈服的要求。 ?对广泛应用的中、低强度钢，对广泛应用的中、低强度钢， fy较低，较低，KIC又较高，则裂纹的塑性区 尺寸较大，为大范围屈服或整体屈服。这时需要用弹塑性断裂力学来 分析和评价其断裂性能。 又较高，则裂纹的塑性区 尺寸较大，为大范围屈服或整体屈服。这时需要用弹塑性断裂力学来 分析和评价其断裂性能。 ?弹塑性力学处理裂纹体问题很复杂，目前理论和试验方法远不如线弹 性断裂力学完善，现主要有 弹塑性力学处理裂纹体问题很复杂，目前理论和试验方法远不如线弹 性断裂力学完善，现主要有裂纹尖端张开位移理论裂纹尖端张开位移理论和和J积分理论积分理论。 裂纹尖端张开位移裂纹尖端张开位移 COD简介简介 ?研究表明裂纹尖端的张开位移研究表明裂纹尖端的张开位移COD (Crack Opening Displacement)能用来反映塑性变形 量的大小，评价弹塑性裂纹体的断裂性状。 能用来反映塑性变形 量的大小，评价弹塑性裂纹体的断裂性状。 ?裂纹体在外力作用下，裂纹尖端应力集中， 局部区域屈服，产生较大的塑性变形区（主 要集中在 裂纹体在外力作用下，裂纹尖端应力集中， 局部区域屈服，产生较大的塑性变形区（主 要集中在45切变带内），使裂纹尖端张开 与钝化，并且向前延伸。 切变带内），使裂纹尖端张开 与钝化，并且向前延伸。 ?当裂纹尖端的张开位移当裂纹尖端的张开位移COD或或大到其临界 值 大到其临界 值c 时开裂。时开裂。 裂纹张开位移形成过程裂纹张开位移形成过程 裂纹尖端张开位移裂纹尖端张开位移 COD简介简介（续）（续） ?带状屈服模型带状屈服模型 单向均匀拉伸的薄板，中间穿透单向均匀拉伸的薄板，中间穿透裂纹长度裂纹长度2a ， 裂纹尖端的塑性区呈尖劈形向两边扩展， ， 裂纹尖端的塑性区呈尖劈形向两边扩展，裂纹 塑性区 裂纹 塑性区2c （总长）（总长）。钢材屈服强度。钢材屈服强度s 带状屈服模型带状屈服模型 可推导得 平面应力条件下 可推导得 平面应力条件下 上式经级数张开， 取第 上式经级数张开， 取第 1 项得项得 当当（临界值（临界值）裂纹失稳扩展）裂纹失稳扩展 影响焊接钢结构脆断的因素影响焊接钢结构脆断的因素 ?所有影响金属断裂的因素：所有影响金属断裂的因素：化学成分、内部组 织、板的厚度、环境温度、应力集中、多向应 力、加载速率 化学成分、内部组 织、板的厚度、环境温度、应力集中、多向应 力、加载速率 ?焊接缺陷焊接缺陷 ?焊接残余应力焊接残余应力 ?应变时效应变时效 焊接残余应力的影响焊接残余应力的影响 ?焊接残余应力与工作应力叠加，可使结构在低应 力状况下脆断。 焊接残余应力与工作应力叠加，可使结构在低应 力状况下脆断。 ?焊接残余应力易引起三向拉应力，使材料变脆。焊接残余应力易引起三向拉应力，使材料变脆。 ?焊接残余应力对塑性好的钢材影响较小。焊接残余应力对塑性好的钢材影响较小。 ?(a) 曲线：一般钢材应力应变曲 线。试件加载到 曲线：一般钢材应力应变曲 线。试件加载到B点，卸载后立即 重新加载，则应力应变仍沿着 点，卸载后立即 重新加载，则应力应变仍沿着(a) 变化。变化。 应变时效的影响应变时效的影响 ?钢结构制作：钢结构制作：钢材常温下剪切、弯 曲成形 钢材常温下剪切、弯 曲成形高温焊接高温焊接 ?应变时效应变时效 钢材冷加工产生塑性 变形后，或放置一段时间，或进行 钢材冷加工产生塑性 变形后，或放置一段时间，或进行 150450范围内的加热，易出现脆 化现象。 范围内的加热，易出现脆 化现象。 ?(b)曲线：若材料应变时效敏感，在曲线：若材料应变时效敏感，在B 点卸载后，在室温下放置一段时间或 加热，则应力应变关系为 点卸载后，在室温下放置一段时间或 加热，则应力应变关系为(b)曲线。曲线。 防止焊接钢结构脆断的措施防止焊接钢结构脆断的措施 制 造制 造设 计设 计 有机结合有机结合 结构结构选材选材 正确选用钢材正确选用钢材 ?掌握结构的工作条件：最低环境温度、荷载特性等。掌握结构的工作条件：最低环境温度、荷载特性等。 ?随着钢材强度提高，其断裂韧性和可焊性都有不同程度下 降，选材时不宜选用比实际所需强度更高的材料，特别不 应单纯追求强度指标，而忽视了其它性能。 随着钢材强度提高，其断裂韧性和可焊性都有不同程度下 降，选材时不宜选用比实际所需强度更高的材料，特别不 应单纯追求强度指标，而忽视了其它性能。 ?对选定的钢材，可用对选定的钢材，可用V形缺口冲击试验的结果来检验其适用 性，即要求标准试件在规定温度下能达到规定的能量值。 形缺口冲击试验的结果来检验其适用 性，即要求标准试件在规定温度下能达到规定的能量值。 合理的结构设计合理的结构设计 ?构件截面、焊接接头形式尽量使力线均匀分布，避免截面突变、尖角。构件截面、焊接接头形式尽量使力线均匀分布，避免截面突变、尖角。 ?尽量选用应力集中最小的对接接头，少用搭接接头。尽量选用应力集中最小的对接接头，少用搭接接头。 ?两个不同截面构件的对接接头应当尽可能平缓过渡两个不同截面构件的对接接头应当尽可能平缓过渡。 ?焊缝布置要施焊方便易检验，保证焊接质量，避免和减少焊缝缺陷焊缝布置要施焊方便易检验，保证焊接质量，避免和减少焊缝缺陷。 搭接时焊接接头的过渡处理搭接时焊接接头的过渡处理封头板焊接接头的处理封头板焊接接头的处理 欠佳 推荐 欠佳 推荐 合理的结构设计合理的结构设计（续一）（续一） ?避免密集焊缝，特别是立体相交，以防过大的残余应力和多向应力。避免密集焊缝，特别是立体相交，以防过大的残余应力和多向应力。 ?注意附加件的连接方式，尽量不要焊接，防止裂纹扩展到结构主体。注意附加件的连接方式，尽量不要焊接，防止裂纹扩展到结构主体。 ?在满足工作应力条件下，尽量减小结构刚度，采用较薄的材料。在满足工作应力条件下，尽量减小结构刚度，采用较薄的材料。 避免焊缝立体相交避免焊缝立体相交 附加件的连接方案附加件的连接方案 保证制造质量保证制造质量 ?严格执行制造工艺的一切规定，按规定的工艺参数施工。严格执行制造工艺的一切规定，按规定的工艺参数施工。 ?加强质量检验，及早消灭严重缺陷。加强质量检验，及早消灭严重缺陷。 ?绝对禁止在结构主体上任意点焊附件和引弧。绝对禁止在结构主体上任意点焊附件和引弧。 ?若需要和可能，重要结构进行热处理减少焊接残余应力。若需要和可能，重要结构进行热处理减少焊接残余应力。 疲劳破坏的基本特点疲劳破坏的基本特点 ?疲劳疲劳 固体力学一个分支，研究材料和结构在循环荷 载作用下的强度问题，研究其应力状态与寿命的关系。 固体力学一个分支，研究材料和结构在循环荷 载作用下的强度问题，研究其应力状态与寿命的关系。 ?疲劳破坏疲劳破坏 循环荷载反复作用下，经历一定时间的损 伤积累，构件和连接部位出现裂纹、最后断裂的现象。 循环荷载反复作用下，经历一定时间的损 伤积累，构件和连接部位出现裂纹、最后断裂的现象。 疲劳破坏分类疲劳破坏分类 ?高周疲劳高周疲劳（应力疲劳）（应力疲劳） ? 工作应力小于工作应力小于fy， ，没有明显的塑性变形，寿命大于 没有明显的塑性变形，寿命大于10 5 次以上 （本课程讨论对象）。 次以上 （本课程讨论对象）。 ? 典型对象：厂房吊车梁、游乐设施、桥梁、高耸塔架、海洋 平台等在日常荷载下的疲劳破坏 典型对象：厂房吊车梁、游乐设施、桥梁、高耸塔架、海洋 平台等在日常荷载下的疲劳破坏 ?低周疲劳低周疲劳（应变疲劳）（应变疲劳） ? 工作应力达到或大于工作应力达到或大于fy，有一定的塑性变形，寿命在，有一定的塑性变形，寿命在10 5 次 以内，甚至几百次、几十次。 次 以内，甚至几百次、几十次。 ? 典型对象：强烈地震下的一般钢结构疲劳破坏典型对象：强烈地震下的一般钢结构疲劳破坏。 疲劳破坏的过程疲劳破坏的过程 裂纹形成裂纹形成裂纹稳定扩展裂纹稳定扩展 裂纹失稳 扩展断裂 裂纹失稳 扩展断裂 非焊接部位 三阶段 非焊接部位 三阶段 本身存在类似本身存在类似 裂纹的缺陷裂纹的缺陷 焊接部位焊接部位 二阶段二阶段 类似裂纹的焊接缺陷类似裂纹的焊接缺陷 未焊透未焊透 焊缝金属与母材(坡口面)之间或各层焊缝 金属之间的交界面未能熔透的缺陷 焊缝金属与母材(坡口面)之间或各层焊缝 金属之间的交界面未能熔透的缺陷 咬边咬边 焊趾、焊缝根部或焊道间的沟槽状缺陷焊趾、焊缝根部或焊道间的沟槽状缺陷 焊接裂纹焊接裂纹气孔气孔错边错边咬边咬边 焊瘤焊瘤 焊缝根部未焊透焊道间未熔合焊缝金属与坡口面未熔合熔深不足焊缝根部未焊透焊道间未熔合焊缝金属与坡口面未熔合熔深不足 未焊透未焊透 疲劳破坏的断口疲劳破坏的断口 ?光滑区光滑区 裂纹扩展过程中不断张开闭合，两表面互相碾磨而成。裂纹扩展过程中不断张开闭合，两表面互相碾磨而成。 ?粗糙区粗糙区 截面削弱，不能承载而拉断形成。截面削弱，不能承载而拉断形成。 光滑区光滑区 沙滩条纹沙滩条纹 粗糙区粗糙区 典型疲劳断口典型疲劳断口 显微镜下的疲劳条纹显微镜下的疲劳条纹 一次应力循环留下一条纹一次应力循环留下一条纹 疲劳裂纹位置和扩展方向疲劳裂纹位置和扩展方向 ?裂纹起始位置裂纹起始位置 结构几何形状突变、应力集中部位 焊接结构的焊趾、焊缝根部、焊缝缺陷处 结构几何形状突变、应力集中部位 焊接结构的焊趾、焊缝根部、焊缝缺陷处 ?裂纹扩展方向裂纹扩展方向 沿与主应力或正应力垂直的方向扩展。沿与主应力或正应力垂直的方向扩展。 裂纹裂纹 焊缝焊缝 裂纹裂纹 焊缝 裂纹 焊缝 裂纹 焊趾 裂纹 焊趾 裂纹 TC P 90 -90 0 5d H b d 1 6b L 0 CHS SHS T: Tension side C: Compression side 0 疲劳裂纹位置和扩展方向疲劳裂纹位置和扩展方向（续）（续） N =3944565 Degree 2 N =201834 N =2493183 -45 -90 T0 45 46 43 90 28 63 90 3 4 -67.5 N =8835429 -20 90 74 80 90 45 0 -45 -90 90 45 0 -45 -90 90 45 0 -45 -90 P Loading pad (500mmx200mm) Loading area 疲劳荷载疲劳荷载 应力比应力比 l l/ / u u 平均应力平均应力应力幅应力幅最小应力最小应力最大应力最大应力 常幅疲劳荷载常幅疲劳荷载 变幅、随机疲劳荷载变幅、随机疲劳荷载 t t 疲劳强度疲劳强度 常幅疲劳极限常幅疲劳极限 N NL L N 疲劳强度疲劳强度 对数后的对数后的SN曲线曲线 国家规范国家规范美、日中国、欧洲英国美、日中国、欧洲英国 NL21065 106107 疲劳强度寿命疲劳强度寿命SN曲线曲线 或疲劳极限或疲劳极限 t t 影响疲劳强度的主要因素影响疲劳强度的主要因素 因素因素非焊接结构非焊接结构焊接结构焊接结构影响方式影响方式 循环次数循环次数 N 有有有有疲劳强度疲劳强度 应力集中应力集中有有有有疲劳强度疲劳强度 尺寸、板厚尺寸、板厚有有有有疲劳强度疲劳强度 环境质量环境质量有有有有疲劳强度疲劳强度 应力比应力比有有/疲劳强度疲劳强度 最大应力最大应力max有有/寿命寿命N 应力幅应力幅/有有寿命寿命N 钢材静力强度钢材静力强度有有/疲劳强度疲劳强度 焊接残余应力对疲劳行为的影响焊接残余应力对疲劳行为的影响 焊接部位的应力变化状况焊接部位的应力变化状况 焊接部位的 残余应力分布 外应力 焊接部位的 残余应力分布 外应力 曲线（曲线（1）：加载前焊接残余应力分布）：加载前焊接残余应力分布 曲线（曲线（2）：）：加载后的应力分布，最大值加载后的应力分布，最大值 fy 曲线（曲线（3）：卸载后的应力分布，最大值）：卸载后的应力分布，最大值 fy 应力变化始终为：应力变化始终为：fy（fy），不管外应力如何循环，不管外应力如何循环 0 0 实际受 力状况 实际受 力状况 实际受 力状况 实际受 力状况 结构疲劳设计的基本思想结构疲劳设计的基本思想 ?控制荷载产生的应力幅小于疲劳极限，结构不会产生宏观疲 劳裂纹，具有无限的寿命。 控制荷载产生的应力幅小于疲劳极限，结构不会产生宏观疲 劳裂纹，具有无限的寿命。 ?方法简单，但结构用料多而笨重，不经济。方法简单，但结构用料多而笨重，不经济。 无限寿命设计法无限寿命设计法 ?寿命是有限的，但在使用期限内是安全的，疲劳破坏可能性很小。寿命是有限的，但在使用期限内是安全的，疲劳破坏可能性很小。 ?应用应用S N曲线和安全系数，确定安全寿命。曲线和安全系数，确定安全寿命。 ?在使用期内，不必进行检查和维修。在使用期内，不必进行检查和维修。 ?较经济实用。较经济实用。 安全使用寿命设计法安全使用寿命设计法 结构疲劳设计的基本思想结构疲劳设计的基本思想（续）（续） ?结构在规定的使用期限内，允许产生疲劳裂纹，甚至裂纹扩展，但在 破坏之前，仍有足够的剩余强度承受载荷。 结构在规定的使用期限内，允许产生疲劳裂纹，甚至裂纹扩展，但在 破坏之前，仍有足够的剩余强度承受载荷。 ?该设计法必须具有严格的定期检查及维修制度，同时采取下列措施：该设计法必须具有严格的定期检查及维修制度，同时采取下列措施： ?采用的材料与应力水平应保证裂纹扩展速率很低。采用的材料与应力水平应保证裂纹扩展速率很低。 ?采用复式结构，当一结构破坏后，另一结构能代替维持正常使用。采用复式结构，当一结构破坏后，另一结构能代替维持正常使用。 ?采用多途径传力，并在各传力路线上安上止裂装置。采用多途径传力，并在各传力路线上安上止裂装置。 ?在细节设计中，应保证危险区易于检查、维修和更换。在细节设计中，应保证危险区易于检查、维修和更换。 破损安全设计法破损安全设计法 焊接结构疲劳分析设计方法焊接结构疲劳分析设计方法 名 称主要手段 科技 含量 发展 方向 名 称主要手段 科技 含量 发展 方向 构造分类法构造分类法依赖于传统的疲劳试验依赖于传统的疲劳试验 热点应力法热点应力法理论数值分析与疲劳试验相结合理论数值分析与疲劳试验相结合 断裂力学法断裂力学法着重于理论数值分析、预测，试验辅助着重于理论数值分析、预测，试验辅助 低 高 低 高 传统 追求 传统 追求 焊接结构疲劳设计焊接结构疲劳设计 分类法 分类法 验算应力幅验算应力幅 我国钢结构我国钢结构SN曲线及分类曲线及分类 构造细节分类构造细节分类 容许应力幅容许应力幅 疲劳强度疲劳强度 SN 曲线曲线 目前我国钢结构规范目前我国钢结构规范 ?强度、稳定强度、稳定 采用以概率为基础的极限状态设计法采用以概率为基础的极限状态设计法 ?疲劳疲劳 采用容许应力设计法采用容许应力设计法 ?目前对疲劳裂纹形成、扩展、断裂的极限状态定义、影响因素研究不足目前对疲劳裂纹形成、扩展、断裂的极限状态定义、影响因素研究不足 平均值 具有一定保证率的下限值 平均值 具有一定保证率的下限值 log n 分布分布下限曲线保证率下限曲线保证率 对数分布时，对数分布时， 97.7% t 氏分布时，氏分布时，95% 分类法特点分类法特点 ?验算采用名义应力，可通过一般弹性梁理论计算获得。验算采用名义应力，可通过一般弹性梁理论计算获得。 ?应力集中问题通过具体的构造细节来反映。应力集中问题通过具体的构造细节来反映。 ?一些常用构造的疲劳强度已通过试验在规范中列出。一些常用构造的疲劳强度已通过试验在规范中列出。 ?应用非常实用方便应用非常实用方便。 ?为避免大量昂贵的疲劳试验，构造细节分类只能较粗 糙，使一些设计较保守。 为避免大量昂贵的疲劳试验，构造细节分类只能较粗 糙，使一些设计较保守。 ?一些非常用构造的疲劳强度需做专门的试验。一些非常用构造的疲劳强度需做专门的试验。 焊接结构疲劳设计焊接结构疲劳设计 热点应力法 热点应力法 ?不采用名义应力，而采用连接节点处的热点应力不采用名义应力，而采用连接节点处的热点应力Hot Spot Stress（即 几何应力）作为疲劳验算的应力指标。 （即 几何应力）作为疲劳验算的应力指标。 ?优点：各种不同构造型式的焊接节点依据热点应力幅，都可应用相 同的 优点：各种不同构造型式的焊接节点依据热点应力幅，都可应用相 同的SN曲线。曲线。 ?缺点：热点应力复杂，需做专门的试验研究或有限元分析。缺点：热点应力复杂，需做专门的试验研究或有限元分析。 ?热点应力法已成为当前钢管节点疲劳最精确、可靠的设计方法。热点应力法已成为当前钢管节点疲劳最精确、可靠的设计方法。 ?预期热点应力法会进一步推广应用，成为疲劳分析的发展方向。预期热点应力法会进一步推广应用，成为疲劳分析的发展方向。 热点应力法特点热点应力法特点 钢管结构的工程应用钢管结构的工程应用 多伦多体育场可活动屋面多伦多体育场可活动屋面 荷兰河湾堤坝荷兰河湾堤坝 过山车过山车巫峡长江公路大桥 海洋石油平台 广州新电视塔 巫峡长江公路大桥 海洋石油平台 广州新电视塔 钢管节点型式和荷载类型钢管节点型式和荷载类型 荷载类型荷载类型 钢管节点型式钢管节点型式 CHSCircular Hollow Section RHSRectangular Hollow Section 钢管节点的热点应力钢管节点的热点应力 冠点鞍点冠点鞍点 可能的热点应力位置可能的热点应力位置 应力分布应力分布 热点应力热点应力 节点处不均匀的刚度分布， 引起不均匀的应力分布 节点处不均匀的刚度分布， 引起不均匀的应力分布 热点应力的确定热点应力的确定 (1)最大的几何应力最大的几何应力 (2)计入了节点几何和荷载的影响计入了节点几何和荷载的影响 (3)但不包括焊缝几何形状（平、凸、凹）和 焊趾局部状况（焊趾半径、咬边等）的影响 但不包括焊缝几何形状（平、凸、凹）和 焊趾局部状况（焊趾半径、咬边等）的影响 热点应力定义热点应力定义 弦杆应力分布、热点应力的确定弦杆应力分布、热点应力的确定 弦杆热点应力或几何应力弦杆热点应力或几何应力 名义应力名义应力 轴力轴力 获得热点应力的途径获得热点应力的途径 回归成公式、曲线回归成公式、曲线 供疲劳设计使用供疲劳设计使用 试验测试试验测试 有限元分析有限元分析 采用热点应力法的采用热点应力法的SN曲线曲线 热点应力热点应力SN曲线说明：曲线说明： (1)适用圆管、方管节点适用圆管、方管节点 (2)适用各种节点型式适用各种节点型式 (3)钢管壁厚越大，疲劳强度越小钢管壁厚越大，疲劳强度越小 钢管节点热点应力 SN曲线钢管节点热点应力 SN曲线 验算热点应力幅验算热点应力幅 h.s h.sh.s h.sh.s h.sh.s h.s 焊接结构疲劳设计焊接结构疲劳设计 基于断裂力学方法 基于断裂力学方法 ?焊接结构存在难以避免的类似裂纹的缺陷，疲劳寿命主要是 裂纹扩展寿命。 焊接结构存在难以避免的类似裂纹的缺陷，疲劳寿命主要是 裂纹扩展寿命