第6章 钢结构的疲劳破坏事故6.1 疲劳破坏的概念 钢材或构件在反复交变荷载作用下在应力远低于抗拉极限强度发生的一种破坏。1. 疲劳破坏是钢结构在反复交变动荷载作用下的破坏形式，而塑性破坏和脆性破坏是钢结构在静载作用下的破坏形式；2. 虽然具有脆性破坏特征，但不完全相同；3. 断口分为疲劳区和瞬断区。6.2 疲劳破坏的影响因素分析1.应力幅2.循环次数 规范将5106次视为疲劳极限的循环次数3. 构造细节 应力集中对疲劳性能影响显著，而构造细节是应力集中产生的根源。6.2.1 应力幅 应力循环特征可分为常幅循环应力谱和变幅循环应力谱。除应力幅外应力比 也是标志应力谱特征的参量。6.2.2 循环次数 应力循环次数是指在连续重复荷载作用下应力由最大到最小的循环次数。在不同应力幅作用下，各类构件和连接产生疲劳破坏的应力循环次数不同，应力幅愈大，循环次数愈少。当应力幅小于一定数值时，即使应力无限次循环，也不会产生疲劳破坏，即达到通称的疲劳极限。钢结构设计规范参照有关标准的建议，将n=5106次被视为各类构件和连接疲劳极限对应的应力循环次数。6.2.3 构造细节 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产生的根源。构造细节常见的不利因素如下：(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力；(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。6.3 提高改善疲劳性能的措施精心选材；精心设计；精心制作；精心施工；精心使用；修补焊缝；方法如下：(1)对于对接焊缝，磨去焊缝表面部分，如对接焊缝的余高。如果焊缝内部无显著缺陷，疲劳强度可以提高到和母材相同。(2)对于角焊缝，应打磨焊趾。焊缝的趾部时常存在咬肉(咬边)等切口（如图），且有焊渣侵入。对于纵向角焊缝，则可打磨它的端部，使截面变化趋于缓和，打磨后的表面不应有明显刻痕。(3)对于角焊缝的趾部，用气体保护钨弧重新熔化，可以起到消除切口的作用。此方法在不同应力幅的情况下疲劳寿命都能同样提高。(4)在焊缝及附近金属表层采用喷射金属丸粒或锤击等方法引入残余压应力，是改善疲劳性能的一个有效方法。残余压应力和锤击造成的冷工硬化均会使疲劳强度提高同时尖锐切口也被缓减。 总之，依靠精心的选材、设计、制作、安装和使用，再加上焊接之后的一些特殊工艺措施，可以达到提高和改善疲劳性能的作用。6.4 疲劳设计准则无限寿命设计有限寿命设计破损-安全设计损伤-容限设计1. 无限寿命设计 这是一种最保险的方法。采用此准则设计的许用应力必须低于疲劳极限，因应力很低，造价过高，往往不现实。2.有限寿命设计 有限寿命设计准则要求零部件或结构在给定的使用周期内不能产生任何疲劳裂纹。为满足此要求，必须准确掌握整个使用寿命期间可能承受的载荷；然后通过分析和实验找出关键物件在这一荷载谱作用下的预期寿命再引入安全系数以达到安全寿命。但事实上，我们很难预测使用期间所有的载荷条件，且疲劳实验结果又有很大的离散性。因此，安全系数确定中有许多不定因素，只有取的足够大，才能使疲劳破坏的可能性降到很低。3. 破损-安全设计 破损-安全设计准则首先是在航空工程中发展起来的。它认为裂纹可以出现，但在整个裂纹被检测和进行修理前，所出现的裂纹不会导致整个结构的破坏。这就要求定期检查和维修，以便及时发现裂纹，同时要求裂纹扩张速度较慢。此外，希望所设计的结构能够进行载荷多路径传递转移，即将结构某一环节破坏后，载荷能够被转移并重新分布。4. 损伤-容限设计 损伤-容限设计准则是破损-安全设计的改进，此法首先是假定裂纹预先存在再用断裂力学的分析和试验方法判断裂纹是否扩展到临界尺寸，以致造成破坏。此准则适用于裂纹扩展较慢并有高断裂韧性的材料。6.5 钢结构疲劳计算方法常幅疲劳计算变幅疲劳计算吊车梁及吊车桁架疲劳计算6.6 网架结构疲劳问题的系统研究6.6.1 疲劳问题的提出 网架是一种高次超静定的空间结构，由于其外形美观、受力合理、制作简便、形式灵活等特点，得到了迅猛发展。网架结构不仅应用于体育场馆等公共建筑，也广泛应用于工业建筑中。悬挂吊车充分发挥了超静定结构对集中力扩散快的优点，而且布置灵活，便于工业流程改造。悬挂吊车吨位及运行频繁程度增大，疲劳问题也日趋严重。6.6.2 焊接空心球节点网架的疲劳性能 与螺栓球节点网架相比，其整体刚度大，更适用于悬挂吊车动载作用的工业厂房。试验证明受压时不存在疲劳问题。 1984年，太原理工大学开始对焊接空心球节点网架的静力及疲劳性能进行系统的理论及试验研究，通过对4种规格、15个试件的常幅疲劳试验，得到了工程中常用的管-球节点在剖口焊情况下的疲劳曲线(如图)。 6.6.3 螺栓球节点网架的疲劳性能 作为一种工程预制、现场拼装、适用于工业化生产的网架形式，就应用范围而言，目前已跃居首位；其疲劳性能关键是高强螺栓的疲劳。 1999年至今，太原理工大学在国家自然科学基金的资助下，开始对螺栓球节点网架设置悬挂吊车的变幅疲劳性能进行了系统的理论与试验研究，已获得成果如下： 1.通过对随机荷载谱相关问题的理论研究，编制了我国螺栓球节点网架疲劳载荷谱程序。2.借助有限元分析软件，对螺栓球节点相关的高强螺栓、锥头、封板等部件进行了应力分析，求得了各种螺纹形式下的高强螺栓螺纹根部的应力集中系数，为今后疲劳累积理论估算疲劳寿命或以热点应力幅为参量建立疲劳验算方法奠定了基础。3.针对M20、M30、M39三种规格的高强螺栓共50个试件进行了常幅疲劳试验和程序块变幅疲劳试验，建立了常幅疲劳的设计方法以及变幅疲劳的寿命估算方法。4.通过金相断口分析，对疲劳破坏机理进行了深入研究。 6.6.4 高强螺栓的疲劳影响因素分析 疲劳是一个非常复杂的过程，受很多因素的影响。在静力问题中，对材料和构件影响很小的因素，在疲劳问题中会表现得非常显著。实际结构的疲劳强度，不仅跟材料性质有关，而且与其几何形状、尺寸大小、应力集中、加工工艺和工作应力等密切相关。正是由于众多因素的影响，才导致了疲劳试验数据的离散性。只有搞清这些因素的影响，才能有效地提高结构的疲劳强度，防止疲劳破坏的发生。 螺栓球节点网架的疲劳性能取决于节点的疲劳性能，而节点的疲劳性能又在很大程度上取决于高强螺栓的疲劳性能。高强螺栓疲劳影响因素主要有以下四个方面： 1. 材料性能 钢材种类;金相组织;材料缺陷 2. 制作及加工 螺纹形式;螺纹尺寸;牙根圆角半径;螺纹的牙形角;螺栓头过度圆角半径;螺纹加工工艺 3. 制作安装 制作安装缺陷;螺栓的预紧力 4. 工作应力 应力幅;平均应力 1材料性能 (1)钢材种类 目前，螺栓球节点网架中高强螺栓的钢材种类有：40Cr、20MnTiB、35VB、35CrMo钢材种类对于疲劳强度的影响可以通过极限强度值反映出来。凡具有相同屈服强度或极限强度的各种钢材，其疲劳强度一般没有太大的差别。(2)金相组织 从金相组织来看，所有的金属材料都是不均一的。组织的不均一性导致了许多部位的局部应力较高。细颗粒材料的疲劳性能一般比粗颗粒材料好。这是因为颗粒愈细则其拉伸性能愈好，虽然局部应力有时超过屈服强度但相邻晶粒之间的塑性约束量也增多。而且，颗粒愈细意味着裂纹阻碍也愈多裂纹长度也愈短。(3)材料缺陷 钢材中总是存在各种各样的缺陷，它们对疲劳强度有很大髟响。其影响的程度取决于缺陷的大小、形状、数量、位置、方向。2 构造及加工 构造细节对高强螺栓疲劳性能的影响十分显著，它主要反映了应力集中的严重程度。如螺栓的螺纹形式、键槽、螺帽过渡圆角以及制作工艺和热处理加工等。 通常，高强螺栓的疲劳危险区有三处：与螺栓球节点连接处第一螺纹牙根部，经理论分析，各螺纹牙上的应力分配是不均匀的，一般第一螺纹牙传递的应力为最大；螺栓头与螺杆的过渡圆角处；螺纹与光滑部分的过渡处。试验表明：疲劳破坏大都发生存第最险区。(1)螺纹形式 在螺栓球节点网架中，高强螺栓通常仅受到轴力作用，其疲劳强度主要与螺纹的缺口效应有关，不同的螺纹形式产生不同的缺口效应，缺口效应则主要表现为螺纹根部不同的应力集中系数。(2)螺纹尺寸 通常构件尺寸愈大，缺陷出现的概率愈大，疲劳强度也愈低。试验研究表明，随着高强螺栓直径的增加，疲劳强度呈下降态势，如图所示。 理论和试验研究表明，当螺纹外径在520mm范围内，随螺纹外径的增大，理论应力集中系数显著增加，当螺纹外径超过20mm后，增长缓慢。(3)牙根圆角半径 疲劳试验表明：大部分高强螺栓的疲劳断裂发生在螺栓承力的第一圈螺纹牙处，该处螺纹的疲劳强度只是同直径光滑试件的1/81/2。 另外，牙根圆角半径与应力集中的大小紧密相关，图给出了当r/p=6时(p为螺距) ，理论应力集中系数值与螺纹牙根圆角半径的近似关系。由图可见，理论应力集中系数随r/p值的增加而迅速下降，当r/p0.21后，理论应力集中系数又缓慢上升。这是因为载荷分布因螺纹牙柔性下降而较不均匀之故。可以认为r/p在0.180.21之间是最有利的。此时的理论应力集中系数几乎比r/p=0.063的螺纹低1/3。 (4)螺纹的牙形角 螺纹的牙形角对螺纹联接的疲劳极限影响很大。已有研究成果表明，M10螺纹的双头螺栓在牙形角=45、60 、75和90时的各种极限应力幅中，牙形角为60时最不利。(5)螺栓头过渡圆角半径 螺栓头与螺杆的过渡圆角处也是疲劳破坏的一个危险区，虽然其破坏概率不如第一螺纹牙处大，但是由于该处截面突变，也会产生较高的应力集中。试验证明，螺栓头与螺杆的过渡圆角等于或大于0.2d(d为螺纹外径)时，疲劳强度较高。(6)螺纹加工工艺 加工方法的影响 螺纹加工方法大体可分为两大类，一类是切削法，包括车螺纹、铣螺纹、磨螺纹和板牙套螺纹、丝锥攻丝等；另一类是滚压法，包括搓丝和滚丝。试验验证，螺纹的加工方法对变载荷下的疲劳强度影响甚大，滚压螺纹有较高的疲劳强度，因为滚压时的塑性变形能提高螺栓的疲劳寿命，而且在滚压牙根部分时在牙根形成有益的残余压应力，并改善了材料的结构。正确选择滚压工艺，即使在较高的预紧力下，也能使疲劳寿命提高2050。 表面状态的影响 高强螺栓螺纹的表面粗糙度对其疲劳强度有显著影响，图给出了不同表面粗糙度螺栓试件的疲劳极限与抛光螺栓试件的疲劳极限之比的数据。由图可见，表面粗糙度值愈大，疲劳极限愈低。表面粗糙度对合金钢制螺纹疲劳极限的影响比对碳钢制螺纹的大。3. 制作安装 (1) 制作安装缺陷 在螺栓球节点网架各杆件的制作、安装过程中，因尺寸误差导致的杆件偏心在所难免。这种偏心导致了高强螺栓螺帽与锥头或封板连接处是半边压紧而另半边放松，螺栓的受力已不是单纯的轴向拉压，而是拉弯或压弯复合受力。偏心受力必然导致螺栓截面上的应力不均匀，疲劳强度大大降低。(2) 螺栓的预紧力 高强螺栓连接通常承受较大的外加载荷，为了充分发挥高强螺栓的能力，通常给高强螺栓施加一定的预紧力。 预紧力的存在可以大大减小螺纹中的变应力。加大预紧力可以减小微动磨损的不利影响，从而提高其疲劳强度；过大或过小的预紧力都是不利的。过大的预紧力有可能导致螺栓被拧断，锥头或封板可能被压坏，也可能使螺纹牙被剪断而脱扣；过小的预紧力虽能使螺栓上循环变化的总载荷的平均值减小，但却使载荷变幅增大，导致高强螺栓的疲劳寿命下降。因此，预紧力的大小及准确度都是十分重要的。 4工作应力 (1) 应力幅 大量理论分析与试验研究表明，影响高强螺栓疲劳强度最主要的载荷因素是应力幅，而不是最大和最小应力值以及应力比。其主要原因是螺纹根部产生的严重的几何应力集中可以和焊接结构中很大的残余应力同等对待。 (2) 平均应力 一般说来，在应力幅相同的情况下，拉伸平均应力使疲劳强度和寿命降低，而压缩平均应力产生的影响则比较有利。 6.7 典型事故实例分析例6.1 某厂桥式吊车大梁的疲劳破坏 某厂125t吊车在向混铁炉兑铁水时，吊车司机将主卷升至极限位置，大车对准棍铁炉口，将小车向混铁炉方向移动，当主小车移动1m时，听到有异常响声，同时整个吊车开始晃动，接着吊车主梁中部突然断裂，下翼缘板、腹板全部撕开；上翼缘与腹板的连接焊缝撕开长2.5m；主梁一头坠地，另一头悬挂在东横梁上；两根副梁端焊缝全部脱焊而坠落；北主梁因横梁出轨道变形而呈弓形弯曲，但未落地；主小车落地，副小车落地后冲出厂房外约1m。值得庆幸的是，盛有铁水的铁水罐坐在地面上未翻倒，没有发生更大的次生灾害。 事故发生后从三个方面进行了调查： 1.档案资料调查情况。该桥式吊车跨度31.5m，额定起重量125t，1977年制造安装，1979年正式投入使用。在13年运行过程中，先后两次对吊车结构做过较大的改轨。第一次是将主小车由原来的405kg改为627kg，主小车车轮由原来的4个改为8个；第二次是将吊车司机操作室从南大梁改在北大梁。1988年和1991年曾两次对该吊车进行了检验，测试结果为各项指标均合格。 2. 按设计图纸和改造后的荷载校核。吊车主梁在满荷载情况下，主梁上、下翼缘板最大应力为156.6MPa=193.75MPa，静刚度为fmax=2.367mmf=2.44mm，与1991年实测数据吻合，证明设计是安全的。 3. 根据事故后对操作人员和吊车指挥人员的调查。吊车司机有操作证，受过三级安全教育，在该吊车上工作5年。当时吊车负荷为105.37t小于该吊车的额定起重量。对事故后残留在主卷简上的钢丝绳圈数和绳长度测量，该吊车在事故发生时，板钩横梁上平面与副梁下面之间还有近1m的间距，所以不存在钩头上天现象。 对主断裂面取样检验。用于制造该吊车梁关键部位的下冀缘钢板虽存在夹渣、偏析现象，但与本次事故裂纹源的产生无直接联系。该梁的主焊缝质量较好，平滑而饱满，但辅助焊缝存在较严重的缺陷，如在此次事故的主断裂口处，主梁下翼缘与走台板的连接焊缝有明显的凹坑和焊接裂纹。从主断裂口分析，主断裂部位正处于焊接起弧处。 根据以上调查分析，吊车梁的破坏与使用和设计无关，其主要原因是由于南侧主梁下翼板距端头13.1m处发生的疲劳断裂，而南侧主梁下翼板的开裂则是由于立梁下翼板与走道板的焊接缺陷引起。疲劳源与焊接裂纹有关，焊缝缺陷和焊接残余应力引起微裂，并沿着垂直于拉应力的方向扩展。由于早期没有发现，使用中裂纹又有了新的发展，裂纹从下翼缘板发展到腹板的相当高度，但由于环境很差，多次检查仍没有发现。甚至在有明显变形直至断裂的期间内也没有发现或注意到。因此，焊缝缺陷和焊接残余应力是该吊车大梁产生疲劳破坏的主要原因。例6.2 某厂平台装机轨道梁的疲劳破坏 某厂作业平台装料机焊接实腹轨道梁长12m，高1.6m。该梁于1980年开始使用，在1990年检查厂房结构时，发现梁的两端受压区主焊缝出现裂纹，左端裂纹长1.5m，右端裂纹长2.0m，均呈贯通性裂纹。当年年底对裂纹进行了修补。修补后的轨道梁使用3年后，又出现更为严重的破坏：梁上翼缘板与腹板的连接焊缝全部开裂，梁腹板多处错位，梁中段腹板最大错位达109mm，梁上轨道因梁腹板变位下沉而折断成3节，装料机被迫停止运行。 从现场调查来看，该梁在制作阶段和加固阶段存在着严重的缺陷：梁的上翼缘板属多板拼接，而且拼接焊缝质量差，坡口过小，根本没有焊透外观检查有可见的孔洞、焊瘤、气泡等缺陷；修补后的主焊缝，焊缝严重偏离或高度不足。造成构件早期疲劳破坏的主要原因为：一是构件制作质量差；二是由于生产工艺的影响，在带有腐蚀介质的湿热环境中，腐蚀介质和交变应力对构件的共同作用，产生的腐蚀疲劳；三是对已出现裂纹的构件采用的修补方法不正确。 该平台装机轨道梁的疲劳破坏给我们的教训是： (1)对结构应细致检查。疲劳破坏，裂纹都有一个发展的过程，在使用中必须进行定期检查，以减免事故的发生。 (2)对于超重级工作制吊车梁使用20年以上或重级工作制吊车梁在达到疲劳周期时，要特别注意检查吊车梁的各部位，一旦发现与疲劳有关的裂纹应立即采取有效的补救措施，把事故消灭在萌芽状态。 (3)对于已出现裂纹的构件修复时，应优先采用更换的办法。对已出现裂纹的焊缝补焊时，必须先用风铲或碳弧气刨清根，直至焊肉，然后重新施焊；补焊时一定要控制好焊接电流和焊条的直径，以保证焊缝厚度的提高量每道不超过2mm，后加的焊缝要在前一道降温到100以后才能进行。例6.3 某轧钢厂吊车梁疲劳破坏1. 工程及事故概况 前苏联某轧钢厂均热炉厂房宽32m，侧跨9.5m，厂房总长187m，柱距16.5m，横向温度缝在长度方向把厂房分为两个部分。厂房内设有4台吊车，其中有3台是起重量各为100kN的钳式吊车；另l台是起重量为500/100kN的检修吊车。 吊车梁分两次建造，一部分是在二战前制造的，采用刚性上弦焊接桁架；大部分是在1945年制造的，采用实腹式焊接梁。 1950年，对该厂房结构检查时，发现一根桁架吊车梁下弦节点板上中间斜杆的角钢上有一条贯通裂缝，但没有进行修复。两年以后，当钳式吊车通行时，这根梁严重下垂。还发现梁的斜杆、竖杆以及弦杆钢材的断裂都有增加。随即拆除这根梁，并换成按1945年图纸制作的新焊接吊车梁。 此后，在其他桁架式梁上也发现了裂缝。一根梁在上弦翼缘板与上弦腹板的连接焊缝上有长300mm的裂缝，以后这根梁的下弦和节点板的连接焊缝裂开；另一根梁中间节间的一根角钢曾经断裂，用带钢盖板加固后，后来又沿盖板裂开。此后，几乎每天在厂房的端斜杆槽钢上和桁架式吊车上都发现类似性质的裂缝。2. 原因分析 裂缝调查小组详细地调查了吊车的工作状况，检测了吊车梁材质，确定了裂缝的性质属于疲劳裂缝，其原因有： (1)均热炉车间的吊车每昼夜从初轧机上取下几百个钢锭，每年在一根梁上至少要来回运行50万次；此时，在中间斜杆上将产生交变力拉力740kN，压力400kN。按理论计算，这种力在结构构件上产生的应力不应超过6272MPa。经实际检测，吊车梁中间斜杆的实际应力达到111MPa，且加荷次数已超过200万次。 (2)对开裂吊车梁的钢材作检验性试验表明梁是由沸腾钢制作的，在许多部位钢材具有较低的极限强度(不到300MPa)，磷的含量高达0 .26，超过废品的规定极限两倍多，严重地降低了钢材的塑性、韧性和可焊性。 (3)在吊车梁上有多处应力高度集中：斜杆和竖杆与节点板和弦杆连接处；下弦在接头处用带钢盖板覆盖的加固处；中间斜杆在节点板用截断的带钢加固处。实际上是在这些部位发现母材和焊缝内部有裂缝。 (4)多部位焊缝有咬边和气泡，亦促使其较早出现裂缝。3.加固措施 均热炉厂房桁架式吊车梁日益频繁地出现裂缝，车间继续使用已很不安全，这些梁在更换前应立即加固。每根梁由宽翼缘工字钢组成的两根斜撑加固，吊杆由双角钢2L20016组成较强的竖杆，在地坪水平处设立一根由两个槽钢组成的系杆。吊车梁的加固设计如图所示。 吊车梁加固后使其工作应力降低了1/21/3，没有再出现新裂缝，继续使用1年多后才用新吊车梁换下。例6.4 美国肯帕体育馆因高强螺栓疲劳而塌落1. 工程及事故概况 美国肯帕体育馆建于1974年，承重结构为三个立体钢框架，屋盖钢桁架悬挂在立体框架梁上每个悬挂节点用4个A490高强螺栓连接(如图)。1979年6只4日晚，高强螺栓断裂，屋盖中心部分突然塌落。2. 事故原因 悬挂节点按静载条件设计，设计恒载1.27kN/m2，活载1.22kN/m2，每个螺栓设计受荷238.1kN，而每个螺拴的设计承载力为362.8kN，破坏荷载为725.6kN。按照屋盖发生破坏时的荷载，每个螺栓实际受力136181kN。因此，在静载条件下，高强螺栓不会发生破坏。 在风荷载作用下，屋盖钢桁架与立体框架梁间产生相对移动，使吊管式悬挂节点连接中产生弯矩从而使高强螺栓承受了反复荷载。而高强螺栓受拉疲劳强度仅为其初始最大承载力的20，对A490高强螺栓的试验表明，在松、紧五次后，其强度仅为原有承载力的1/3。另外，螺栓在安装时没有拧紧，连接件中各钢板没有紧密接触。综上分析该体育馆倒塌的主要原因为：高强螺栓在风载作用下，塑料垫层的徐变使螺栓预拉力受到损失，从而加剧了螺栓的疲劳破坏。3. 处理方法 该体育馆主要承重结构立体框架完好、正常。由于屋顶悬挂设计成吊管连接不适宜，因此，屋顶应重新设计，更换所有的吊管连接件。4. 事故教训 设计人员常常忽视将风荷载看成动荷载。这一事故告诫我们，只要使用螺栓作为纯拉构件，并且这些螺栓只承受由风载产生的动荷载，就必须严肃地考虑螺栓可能存在的疲劳。