簡析鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞的機(jī)理及原因

蔣大園 蘭英靜 殷鳳蘭

摘 要： 鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破損是裂紋在重復(fù)或交變荷載作用下不斷開展及最后達(dá)到臨界尺寸而出現(xiàn)的斷裂，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)疲勞的有動力的或循環(huán)性的活荷載，如橋式吊車對吊車梁的作用等；當(dāng)溫度變化導(dǎo)致應(yīng)力變化時，也會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞問題。劇烈的地震結(jié)構(gòu)物反復(fù)搖擺，是造成疲勞的又一原因。所以，鋼結(jié)構(gòu)建筑物在使用時要注意疲勞問題。

關(guān)鍵詞： 鋼結(jié)構(gòu) 疲勞破壞 影響因素 緩解措施

1.疲勞破壞的過程

一般來說，疲勞破壞會經(jīng)歷三個階段：裂紋的形成、裂紋的緩慢擴(kuò)展和裂紋的迅速斷裂。對于鋼結(jié)構(gòu)，實際上其只有后兩個階段，因為在鋼材生產(chǎn)和結(jié)構(gòu)制造等過程中，不可避免地在結(jié)構(gòu)的某些部位存在局部微小缺陷，這些缺陷本身就起著裂紋的作用。疲勞破壞的起點多數(shù)在構(gòu)件的表面，對非焊接構(gòu)件表面上的刻痕、軋鋼皮的凹凸、軋鋼缺陷和分層及制造時的沖孔、剪邊、火焰切割帶來的毛邊和裂紋，都是裂源可能出現(xiàn)的地方。

2.疲勞破壞的特點

疲勞斷裂與靜載荷斷裂不同，在靜載荷下為脆性或韌性的材料，在疲勞載荷下發(fā)生斷裂時，不產(chǎn)生明顯的塑性變形。斷裂是突然發(fā)生的，具有下列特點：

2.1材料的疲勞破壞過程不是瞬間發(fā)生的，而是要經(jīng)歷一段時期甚至長期處于交變應(yīng)力下，疲勞裂紋開始萌生，進(jìn)而疲勞裂紋擴(kuò)展，最后才導(dǎo)致疲勞破壞發(fā)生。

2.2在破壞的斷口上有裂紋源，通常呈現(xiàn)兩個截然不同的區(qū)域，一個是光滑區(qū)（疲勞區(qū)），另一個是粗粒狀區(qū)（斷裂區(qū)）。

2.3即使是塑性很好的材料，破壞時也像脆性材料一樣，突然發(fā)生，事先沒有明顯的征兆，表明疲勞破壞有極大的危險性。

2.4破壞時的應(yīng)力往往低于材料的強(qiáng)度極限，甚至低于屈服應(yīng)力。

2.5疲勞破壞不僅取決于材料本身，而且對構(gòu)件的形狀尺寸、表面狀況、使用條件、外界環(huán)境等都十分敏感。

3.疲勞破壞的主要影響因素

疲勞是一種隨機(jī)現(xiàn)象，影響疲勞的因素，如材料特性、裂源處的幾何形狀、應(yīng)力應(yīng)變史和所處環(huán)境都具有隨機(jī)性，有的因素如環(huán)境還會在結(jié)構(gòu)的使用期限內(nèi)發(fā)生變化。所以必須用概率的方法分析疲勞的問題。從鋼筋疲勞強(qiáng)度試驗可以看出，疲勞結(jié)果是很分散的，是因為許多因素影響了鋼筋疲勞強(qiáng)度，下面主要介紹應(yīng)力比、應(yīng)力幅、應(yīng)力集中的影響。

3.1應(yīng)力比R

要全面地了解結(jié)構(gòu)及其連接的疲勞性能，就要畫出它在不同應(yīng)力循環(huán)下的幾條σ■-N曲線。應(yīng)力循環(huán)的特征可以用應(yīng)力比R=σ■/δ■表示，以拉應(yīng)力為正。圖1是用角焊縫連接的試件在不同應(yīng)力R作用下的一組σ■-N曲線，根據(jù)它可給出不同R值在某一循環(huán)次數(shù)N下產(chǎn)生疲勞破壞時所對應(yīng)的σ■。由此可見，結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度σmax和應(yīng)力比R有關(guān)，R愈小疲勞強(qiáng)度愈低，R=-1時最低；R=0時，疲勞強(qiáng)度是最輕微的；R=1時，表示沒有循環(huán)荷載，相當(dāng)于靜荷載，一般不考慮疲勞破壞。

圖1 σ■-N曲線

3.2應(yīng)力幅（△σ）

焊接結(jié)構(gòu)的焊縫因容易產(chǎn)生缺陷，是疲勞破壞可能產(chǎn)生裂源的主要部位，這些部位經(jīng)常存在數(shù)值可高達(dá)鋼材屈服點的殘余拉應(yīng)力，它改變了該部位的實際應(yīng)力狀態(tài)，從而影響了應(yīng)力幅△σ。自焊接結(jié)構(gòu)用于承受疲勞荷載以來，工程界從實踐中逐漸認(rèn)識到應(yīng)力幅△σ和疲勞強(qiáng)度密切相關(guān)，并且殘余應(yīng)力參與到應(yīng)力幅值里。

3.3較大的應(yīng)力集中

鋼結(jié)構(gòu)中一般應(yīng)力集中，在靜力荷載的作用下，其高峰應(yīng)力常因鋼材的塑性發(fā)展而相對減少，而較低應(yīng)力部位的應(yīng)力增大，使截面的不均勻應(yīng)力趨于均勻，因而不影響截面的極限承載力，設(shè)計時可不考慮其影響。但較嚴(yán)重的應(yīng)力集中，在高峰應(yīng)力區(qū)域內(nèi)總是存在較大的應(yīng)力場，使鋼材的塑性變形困難而出現(xiàn)脆性斷裂，特別是在動力荷載的作用下，常是結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞的主要原因。

4.減緩疲勞破壞的措施

提高結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度，首先要靠構(gòu)造細(xì)節(jié)適當(dāng)和精心施工取得好的質(zhì)量。此外，可以在焊接后進(jìn)一步采取一些工藝措施提高疲勞性能.這些措施的目的是緩和應(yīng)力集成度、消除切口，或是在表層形成縮余應(yīng)力。

4.1裂縫的突出部分磨掉

緩和應(yīng)力集中最普通的方法是磨去焊縫的表面部分，對接燁縫的余高。角縫連接的疲勞性能比較差，但承受疲勞荷載的結(jié)構(gòu)很難完全避開這種焊縫不用，對角縫打磨焊趾，可以改善它的疲勞性能。縫的趾部經(jīng)，存在咬邊形成的切口，并且有焊渣侵入。因此，要得到較好的效果，必須如圖所示B縫那樣把板磨去一層，不僅磨去切口，還要再磨去0.5mm，以除去侵入的焊渣。這樣做雖然使鋼板截面稍有削弱，影響并不大。如果只像圖2A縫那樣磨去部分焊縫，就得不到改善效果。圖2所示的是橫向角焊縫，對于縱向角焊縫，則可打磨它的端部，使截面變化比較緩和，打磨后的表面不應(yīng)存在明顯的刻痕。

圖2 打磨角焊縫

4.2熔化焊縫的趾部

對于角焊縫的趾部，用氣體保護(hù)鎢弧使童新熔化，可以起消除切口的作用。這種鎢極弧焊不會在趾部產(chǎn)生焊渣侵入，只要重新熔化的深度足夠，原有切口、裂縫及侵入的焊渣都可以消除，從而使疲勞性能得到改善，這種方法在不同應(yīng)力幅情況下疲勞壽命都能同樣提高。

4.3改變殘余應(yīng)力的分布

在焊縫和近旁金展的表層形成壓縮殘余應(yīng)力，是改善疲勞性能的一種有效方法。用噴射金屬丸粒或錘擊進(jìn)行敲打，金屬的表層在沖擊性的敲打作用下趨于向側(cè)向擴(kuò)張，但被下層的材料阻止，從而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。這個殘余壓應(yīng)力和敲擊造成的冷工硬化都使疲勞強(qiáng)度提高，同時尖銳的切口被緩減。疲勞試驗表明，當(dāng)在它未承受荷載前進(jìn)行敲擊處理，不如在承受荷載后處理的效果好。

上述三種措施對不同的連接構(gòu)造疲勞性能的提髙效果不同。對某一特定的構(gòu)造來說，哪種方法最有效又價廉，資料還不很充分，但可以肯定，這些措施對f■高于400N/mm■高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)，比普通碳素鋼更有效。這是因為：①強(qiáng)鋼材試件的疲勞強(qiáng)度高于低碳鋼，原因是它的裂紋形成階段比后者長，若把焊接結(jié)構(gòu)的初始缺陷消除，效果十分顯著；②高強(qiáng)鋼材焊接后殘余拉應(yīng)力高于低碳鋼的，施加殘余壓應(yīng)力以改善連接的疲勞性能也優(yōu)于低碳鋼。

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