疲劳破坏的概念

疲劳间题最初是在1829年由法国采矿工程师尔倍特(W.A.J. Albert)根据他所做的铁链的重复载荷试验所提出的。1839年波客来持( Poncelet)肖先采用“疲劳“( Fatigue)一词来描述“在反复施加的载荷作用下的结构破坏现象”,但是以”疲劳”一词作为题目的第一篇论文是由勃累士畏( Braithwaite)于1854年在伦敦土木工程年会上发表的。在第二次世界大战中,发生了多起飞机疲劳失事事故,人们从一系列的灾难性事放中,逐渐认识到疲劳破坏的严重性。

金属结构的疲劳是工程界早已关注的问题。就金属结构而言,包括飞机,车辆等各类结构都在内的总体,大约80%-90%的装坏事故和疲劳有关。其中土建钢结构所占的比重虽然不大,但随着焊接结构的发展,焊接吊车梁的疲劳问题已十分普遍,受到了工程界人士的重视。目前,《钢结构设计规范》中已建立了疲劳验算方法,此方法对防止疲劳破坏的发生有重要作用。

钢结构的瘦劳破坏是指钢材或构件在反复交变荷载作用下在应力远低于抗控极限强度甚至屈服点的情况下发生的一种破坏。就断裂力学的观点而言,疲劳破坏是从裂纹起始,扩展到最终断裂的过程。

疲劳破坏与静力强度破坏是截然不同的两个概念。它与塑性破坏和脆性破坏相比具有以下特点：

（1）疲劳破坏是钢结构在反复交变动载作用下的破坏形式,而塑性破坏和性破坏是钢结构在静载作用下的破坏形式。

（2）疲劳破坏虽然具有性破坏特征,但不完全相同。劳破坏经历了裂缠起始、扩展和断裂的漫长过程,而脆性破坏往往是无任何先兆的情况下瞬间突然发生。

（3）就疲劳破坏断口面言,一般分为疲劳区和瞬断区(图1)。疲劳区记载了裂缝扩展和闭合的过程,颜色发暗,表面有较清楚的疲劳纹理,呈沙滩状或波纹状。瞬断区真实反映了当构件截面因裂缝扩展削弱到一临界尺寸时脆性断裂的特点,瞬断区晶粒粗亮。

疲劳破坏的影响因素分析

疲劳是一个十分复杂的过程,从微观到宏观,疲劳破坏受到众多因素的影响,尤其是对材料和构件静力强度影响很小的因素,对疲劳影响却非常显著,例如构件的表面缺陷,应力集中等。

自1972年里海大学J. W. Fisher提出疲劳设计新概念至今，各国普遍公认,影响钢结构疲劳破坏的主要因素是应力幅,构造细节和循环次数,而与钢材的静力强度和最大应力无明显关系,该观点尤其对焊接钢结构更具有正确性。

应力集中对钢结构的疲劳性能影响显著,而构造细节是应力集中是应力集中产生的根源。构造细节常见的不利因素：

（1)钢材的内部缺陷,如偏析、夹渣、分层、裂纹等；

（2)制作过程中剪切、冲孔、切割；

（3)焊接结构中产生的残余应；

（4)焊接缺陷的存在,如:气孔、夹渣、咬肉、未焊透等；

（5）非焊接结构的孔洞、刻槽等；

（6）构件的截面突变；

（7）结构由于安装、温度应力、不均匀沉降等产生的附加应力集中。

对构件细节对疲劳强度的影响,《钢结构设计规范》中把构造和连接形式按吃力集中的影响程度由低到高分为8类。第一类为基本无应力集中影响的无连接处的主体金属,第八类则为应力集中最严重的角焊缝。

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知识点：钢结构疲劳破坏