疲劳破坏：从概念到严重性，工程界关注的金属结构问题

1.疲劳失效的概念

疲劳问题最早是在1829年由法国采矿工程师阿尔伯特（W.A. Albert）基于他对铁链的重复载荷试验而提出的。1839年，庞赛列（Poncelet）首次使用“疲劳”一词来描述“重复载荷下的结构损伤现象”，但第一篇以“疲劳”一词为标题的论文是由布雷斯韦特（Braithwaite）于1854年在伦敦土木工程年会上发表的。第二次世界大战期间，飞机疲劳坠毁事件频发，人们从一系列灾难性事故中逐渐认识到疲劳损伤的严重性。

金属结构的疲劳问题长期以来一直是工程界关注的问题。就金属结构而言，包括飞机、车辆等结构，约80%的损伤事故与疲劳有关。虽然民用钢结构所占比例不大，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，并受到工程界的重视。目前《钢结构设计规范》已建立了疲劳验证方法，对防止疲劳损伤的发生起着重要作用。

F-15C 80-0034 空中解体图

钢结构疲劳失效是指钢材或构件在反复交变载荷作用下，当应力远低于抗拉强度，甚至低于屈服点时发生的失效。从断裂力学的角度看，疲劳失效是一个从裂纹开始，不断扩展到最终断裂的过程。

疲劳破坏与静强度破坏是两个完全不同的概念，它与塑性破坏、脆性破坏相比，有以下特点：

疲劳破坏是钢结构在反复交变荷载作用下的破坏形式，塑性破坏和脆性破坏是钢结构在静力荷载作用下的破坏形式。

疲劳破坏虽然具有脆性破坏的特征，但并不完全相同，疲劳破坏要经过裂纹萌生、扩展、断裂等一个较长的过程，而脆性破坏往往是突然、瞬间发生的，没有任何前兆。

至于疲劳失效断口，一般分为疲劳区和瞬时断裂区（图1）。疲劳区记录了裂纹扩展、闭合的过程，色泽较暗，表面疲劳纹理清晰，呈沙滩状或波纹状。瞬时断裂区真实反映了构件截面因裂纹扩展而弱化到临界尺寸时的脆性断裂特征，瞬时断裂区晶粒粗大、光亮。

2.影响疲劳失效的因素分析

疲劳是一个非常复杂的过程，从微观到宏观，疲劳失效受很多因素的影响，特别是那些对材料和构件静强度影响不大，但对疲劳却有显著影响的因素，如构件表面缺陷、应力集中等。

自1972年Lehigh大学的JW Fisher提出疲劳设计新概念以来，各国普遍认为，影响钢结构疲劳失效的主要因素是应力幅、结构细节和循环次数，而与钢材的静力强度和最大应力无明显的关系。这种观点对于焊接钢结构尤其正确。

应力集中对钢结构的疲劳性能有显著影响，而结构细节是造成应力集中的根本原因。结构细节常见的不良因素：

钢材内部缺陷，如偏析、夹渣、分层、裂纹等；

生产过程中的剪切、冲孔、切割；

焊接结构产生的残余应力；

焊接缺陷的存在，例如气孔、夹渣、咬边、未焊透等。

非焊接结构中的孔和凹槽；

组件横截面的突然变化；

安装、温度应力、不均匀沉降等引起的附加应力集中。

《钢结构设计规范》将构件细节对疲劳强度的影响按应力集中影响程度由小到大分为8类，第一类为基本无应力集中的无接头主体金属，第八类为应力集中最为严重的角焊缝。

3.提高疲劳性能的措施

从影响疲劳性能的三个因素来看，应力幅和循环次数都是客观事实。因此，提高疲劳性能的唯一途径就是降低应力集中。具体措施如下：

精心选择材料：对于承受动态荷载的钢结构或构件，应严格控制钢材缺陷，选用优质钢材。

精心设计。力求减少截面突变，避免焊缝集中，使钢结构施工方法合理化。

精心制造，以最大限度地减少缺陷和残余应力。

精心施工，避免额外应力集中的影响。

小心使用。避免对结构造成局部损坏，例如划痕、孔洞、撞击等。

修复焊缝。目的是消除缺陷引起的应力集中。方法如下：

①对于对接焊缝，应将焊缝表面（如焊缝余高处）打磨掉，如果焊缝内部没有明显缺陷，则疲劳强度可提高到与母材相同。

②对于角焊缝，应修磨焊趾。焊趾处经常有咬边（咬边）和焊渣侵入等割痕。因此，为了达到更好的效果，不仅要修磨掉割痕，还要修磨掉0.5mm的板材以去除侵入的焊渣，如下图B焊缝所示。这种做法虽然会稍微削弱钢板的截面，但影响并不大。如果将焊缝的一部分修磨掉，如下图A焊缝所示，则不会起到任何改善作用。图2为横向角焊缝。对于纵向角焊缝，可修磨其端部，使截面变化更加平缓。修磨后的表面不应有明显的缺口。

③对于角焊缝的趾部，可用气体保护钨极电弧重熔，消除缺口。此方法在不同应力幅下，都能以同样的方式提高疲劳寿命。

④通过喷洒金属丸或锤击的方式在焊缝及附近的金属表面引入残余压应力是提高疲劳性能的有效方法。锤击产生的残余压应力和冷作硬化将提高疲劳强度。同时，锋利的切口也会得到缓解。

依靠精心的材料选择、设计、生产、安装和使用，以及焊后采取一些特殊的工艺措施，可以提高疲劳性能。

4. 疲劳设计标准

根据结构和部件的重要性，目前国际上主要有四种疲劳设计标准。

1.无限寿命设计

这是最安全的方法，用此准则设计的许用应力必须低于疲劳极限，因为应力低，成本太高，而且往往不现实。

2.有限寿命设计

有限寿命设计又称安全寿命设计。安全寿命设计准则要求零件或结构在给定的使用寿命内不应产生任何疲劳裂纹。要满足这一要求，就必须准确掌握整个使用寿命期间可能承受的载荷；然后通过分析和试验，找出关键对象在此载荷谱下的预期寿命，进而引入安全系数，以达到安全寿命。安全寿命决定使用寿命，达到安全寿命时结构和部件就要报废或更换。但实际上，我们很难预测使用过程中所有的载荷情况，疲劳试验结果离散性很大。因此，确定安全系数的不确定因素很多，只有采取足够多的人手，才能将疲劳损坏的可能性降到很低的水平。

3. 损伤安全设计

损伤安全设计原理最早是在航空航天工程中发展起来的。它假设裂纹可以产生，但在整片裂纹被发现和修复之前不会导致整个结构的破坏。这就要求定期检查和修复，及时发现裂纹，并要求裂纹扩展速度缓慢。另外，还希望设计的结构能够以多条路径传递载荷，即在结构的某一部分被破坏后（特别是超静定结构），载荷能够被转移和重新分配。这里要注意的是，采用这类设计方法时，允许应力幅可以通过减去一个标准差来确定，而不是常规的两个标准差。

4. 损伤容限设计

损伤容限设计原理是对损伤安全设计原理的改进，该方法首先假设裂纹预先存在，然后利用断裂力学分析和试验方法判断裂纹是否大到足以造成损伤，适用于裂纹扩展缓慢、断裂韧性较高的材料。

以上四种设计准则各有优缺点和适用范围，在建筑钢结构疲劳设计中，将安全寿命设计方法与损伤安全设计相结合更为合理。

案例：体育场因高强度螺栓疲劳倒塌

项目和事故概述

美国肯珀体育场建于1974年，承重结构为三块立体钢架，屋面钢架悬挂在立体框架梁上，每个悬挂节点用4根A490高强螺栓连接。1979年6月4日晚，高强螺栓断裂，屋面中心突然坍塌。

事故原因

悬挂节点按静载工况设计，设计恒载1.27N/㎡，活载1.22N/㎡。每根螺栓设计承载力238.1kN，而每根螺栓设计承载力362.8kN，破坏荷载725.6kN。按顶板破坏时的荷载计算，每根螺栓实际受力为136~18IkN。因此，在静载工况下，高强度螺栓不会发生破坏。

在风荷载作用下，屋架与三维框架梁发生相对移动，在挂管悬挂节点连接处产生弯矩，使高强螺栓承受反复荷载，而高强螺栓的抗拉强度仅为其初始最大承载力的20%，A490高强螺栓经过5次松紧拧紧后强度仅为原承载力的1/3，另外安装时螺栓未拧紧，连接件内钢板接触不紧密。

综上所述，造成体育馆倒塌的主要原因是在风荷载作用下，高强螺栓塑料垫层发生蠕变，造成螺栓预紧力的丧失，从而加剧螺栓的疲劳破坏。

方法

体育馆主体承重结构完好、正常，由于屋面悬吊设计不适宜挂管连接，需重新设计屋面，更换所有挂管连接。

事故教训

设计人员往往忽视将风荷载视为动荷载，此次事故提醒我们，螺栓是纯受拉构件，这些螺栓只承受风荷载产生的动荷载，必须认真考虑螺栓可能产生的疲劳。