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童乐为硕士研究生课程《高等钢结构理论》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绪论断裂疲劳断裂与疲劳问题－参考书目（1）[英]T.R.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，1991。（3）[德]D.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，1995。（5）陈绍蕃，钢结构设计原理，科学出版社，2000。（6）[荷]J.Wardenier,钢管截面的结构应用，同济大学出版社，2004。（7）N.E.Dowling,MechanicalBehaviorofMaterials,PearsonPrenticeHall,20007焊接结构的发展历史z公元前已经出现了金属焊接z19世纪末现代焊接技术开始发展z1910年药皮焊条开始得到推广z1920s电弧焊首次用于钢结构，第一艘全焊远洋轮船建成z1930s工业先进国家开始大规模制造焊接钢结构z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z国际上焊接结构的钢材强度极限已达到2000MPa水平焊接钢结构的优点z水密性和气密性好z节省钢材，减轻结构重量比铆接、栓接结构轻10％～20％z厚度基本上不受限制现代压力容器板厚已达300mm。z构造简单，生产效率高，施工方便快速z焊接接头工作效能较高接头系数＝（接头强度/母材强度）×100％一般对焊接头：系数可达100％，铆栓接头：系数难以达到100％焊缝连接铆钉连接螺栓连接焊接钢结构的缺点z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z焊接过程易产生气孔、裂纹、夹渣等各类缺陷z焊接结构中存有残余应力和残余变形z对材料敏感一些高强度钢焊接时极易产生裂纹，并对缺陷敏感焊接钢结构的断裂、疲劳破坏z1920s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。z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。z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•1944年美国克里夫兰的气罐爆炸事故，首先从一个直径24m、高13m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。•事故造成128人死亡，经济损失达680万美元美国桥梁断裂破坏个案（续一）•1967年12月15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。•46人丧生，37辆各种车辆掉入河中。普莱森特角悬索桥（3跨）美国桥梁断裂破坏个案（续二）吊杆耳环断裂整桥倒塌美国、加拿大桥梁疲劳破坏事故•1978~1981年美国对其20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。•从桥梁建成通车到出现疲劳裂纹，昀长的33年，昀短的5年，大多数是10多年时间。美国桥梁疲劳破坏个案YellowMillPond桥•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•1958年建成通车，1970～1976年间共发现疲劳裂纹40多条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破坏原因占总数的比例（％）设计不良18.3材料选择不当30.1制造质量欠佳10.6安装、施工不好12.6使用操作不当27.2我国土木工程领域疲劳破坏z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z1980年代建设的宝钢许多厂房吊车梁在1999年疲劳开裂z1997年建设开通的广东虎门大桥2003年开始不断出现疲劳裂纹虎门大桥悬索桥主跨888m偏平流线型箱梁钢侨面板混凝土路面双向6车道虎门大桥钢桥面板疲劳裂纹实况疲劳裂纹概况z2003年(通车5年后)发现2条裂纹z2007年9月发现103条裂纹z2008年3月发现561条裂纹z多次局部修补未见良好效果裂纹裂纹裂纹裂纹裂纹原因„年交通流量增长20％，07年6.3万辆/天„车辆超重极其严重„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•起源于焊接结构的不利因素•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）•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，安全储备降低金属断裂的基本概念断裂（Fracture）分类z断裂——当金属材料所受载荷大于所能承受的极限载荷时z按裂纹扩展的路径分：穿晶断裂和晶间断裂z按断裂时变形大小分：延性(或韧性，或塑性)断裂和脆性断裂z按宏观形态的方位分：正断(断口与受力方向垂直)和切断z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。穿晶型断裂晶间型断裂断口断口面上人字形花纹延性脆性影响金属断裂的因素z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。z影响因素(1)化学成分(2)内部组织(3)环境温度(4)应力集中(5)多向应力(6)板的厚度(7)加载速率板厚和加载速率的影响韧性随板厚的变化韧性随加载速率的变化落锤VV形缺口形缺口冲击冲击冲击试验结构抗断裂设计的发展结构件强度设计z要求：σ≤f=fy/γ或fy/nγ—抗力分项系数，n—安全系数z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。z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。z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（续）z为防止脆性断裂，还须对所用材料的塑性(δ、φ)和冲击韧性(αk)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。z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。z对有裂纹的材料和结构的力学行为无能为力。z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。z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z理想金属材料是指不含任何宏观和微观缺陷的结晶体z推算理论强度时，常假定弹性体所有的分离能都用于产生两个新的表面。z推导得出理论强度σth的数学表达式为：σth＝(ES／a)1/2式中：E－弹性模量；S－单位面积上的表面能；a－晶体的晶格常数。z例如钢材:a＝3×10-7，E=2.05×105N／mm，S=10-3Nmm／mm2则:σth＝26140N/mm2z现代高强度钢的σb昀大也只不过2100N／mm2，金属材料的实际强度与理论强度差异巨大z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z断裂力学—研究含有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。z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。z以上与连续介质力学认为材料是完整的、无缺陷的和连续的物体有本质差别。断裂力学基本理论z断裂力学的两大分支：¾线弹性断裂力学(LEFM——LinearElasticFractureMechanics)研究裂纹尖端完全弹性变形及小范围屈服的断裂问题(脆性材料、高强度金属材料)¾弹塑性断裂力学(EPFM——Elastic-PlasticFractureMechanics)研究裂纹尖端大范围屈服和全范围屈服的断裂问题(中、低强度材料)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。小范围大范围全范围线弹性断裂力学基础z线弹性断裂力学的研究对象是含裂纹的线弹性体。z它应用线弹性理论，可从两个角度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—应力强度因子K(StressIntensityFactor)；（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—能量释放率G(EnergyReleaseRate)。裂纹类型模型I张开型模型Ⅱ滑开型模型Ⅲ撕开型依据裂纹受力状况不同，产生三种基本开裂类型zI型(张开型)：受垂直于裂纹面的拉应力作用。zⅡ型(滑开型)：受平行于裂纹面、同时垂直于裂纹前缘的剪应力作用zⅢ型(撕开型)：受平行于裂纹面、同时平行于裂纹前缘的剪应力作用z三种类型中，以I型断裂昀常见、昀基本、也昀危险。裂纹尖端附近的应力场z由弹性理论平面问题分析，裂纹尖端附近任意点A(r,θ)ra的应力分量为：图b裂纹尖端应力场坐标系图a无限宽板，双向受力，长2a穿透板厚的裂纹aI=πσK上式中共同因子⎟⎠⎞⎜⎝⎛2•2−2=θθθπσ3sinsin1cosr2IxK⎟⎠⎞⎜⎝⎛2•2+2=θθθπσ3sinsin1cosr2IyK23coscossinr2Ixyθθθπτ•2•2=KI型裂纹)yxzσσυσ+(=0yzxz==ττ平面应变状况时裂纹尖端附近的应力场（续）z在裂纹延长线上(x轴)，θ=0处小范围屈服条件下的裂纹尖端弹性应力场r2IyxπσσK==0xy=τ拉伸正应力昀大，裂纹容易沿此平面向外扩展。应力强度因子z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。z各应力分量与Ki成正比，Ki是独立于r和θ的参量。z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。z各应力分量与角分布函数工fij(θ)成正比。z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Ki决定。zKi表示名义应力作用下裂纹前端应力场的强弱程度，称Ki为应力场强度因子。)(fr2ijiijθπσ•=K)IIIII,I,i(=裂纹尖端附近应力场和K的特点I、II、III型裂纹应力场分量通式应力强度因子一般表达式z应力强度因子是载荷(加载方式、大小)、裂纹体几何(形状、大小)的函数I型裂纹应力强度因子通式aYI=πσK式中：σ－应力；a－裂纹尺寸；Y－应力强度因子修正系数常见裂纹体－应力强度因子修正系数YY应力强度因子与应力集中系数的区别z应力强度因子K表征了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。z它不同于应力分量，也不同于理论应力集中系数。)ba(21maxT+==σσKaYI=πσK应力强度因子（I型裂纹体）应力集中系数（椭圆孔平板）椭圆孔的应力集中线弹性裂纹体的断裂判据或zKIC（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。z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。z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。CIIKaYK≥=πσCIKaYK≥=πσ（平面应变）（平面应力）时，裂纹发生失稳扩展并断裂。ICKCK称为断裂韧性裂纹尖端塑性区修正zKI仅适用于裂纹尖端附近完全为弹性的状况z一般结构钢在裂纹尖端或多或少存在塑性变形区（屈服区），当屈服区小于裂纹尺寸，称为小范围屈服。z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：）＋（σπσ0Ira=K确定应力强度因子的方法复变函数法权函数法有限元法电阻应变片法光弹法全息干涉法实验方法理论计算方法弹塑性断裂力学基本概念z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。z对高强度钢，屈服强度fy高，KIC