金属结构疲劳破坏：从概念到严重性的认识历程

1.疲劳失效的概念

疲劳问题最早是由法国采矿工程师阿尔伯特于1829年基于他对铁链的重复载荷试验而提出的，1839年庞赛列首次用“疲劳”法来描述结构在重复载荷作用下失效的现象，但第一篇以“疲劳”一词为标题的论文是由布雷思韦特于1854年在英国伦敦土木工程研究所发表的。第二次世界大战期间，飞机多次发生疲劳坠毁事故，从一系列灾难性事件中，人们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、车辆等类型的结构，约有80%-90%的失效与疲劳有关。虽然所占比例不大，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，并引起了工程界的重视。目前，《钢结构设计规范》中已确立了疲劳验证方法，此方法对防止疲劳破坏起着重要作用。

钢结构疲劳失效是指钢材或构件在反复交变载荷作用下，当应力远低于极限强度甚至屈服点时发生的破坏，从断裂力学的角度讲，疲劳失效是从裂纹萌生到扩展、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：

（1）疲劳破坏是钢结构在反复交变荷载作用下的破坏形式，塑性破坏和永久破坏是钢结构在静力荷载作用下的破坏形式。

（2）疲劳破坏虽然具有永久破坏的特征，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发生的，没有任何前兆。

（3）就疲劳断口而言，一般分为疲劳区和瞬时断口区（图1）。疲劳区记录了裂纹扩展闭合的过程，颜色较暗，表面有清晰的疲劳纹理，犹如沙滩。瞬时断口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，瞬时断口区晶粒粗大、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，特别是一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，人们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，与钢材的静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如此。

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：

（1）钢材内部缺陷，如偏析、夹渣、分层、裂纹等；

（2）生产过程中的剪切、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、咬边、未焊透等。

（5）非焊接结构中的孔洞、凹槽等；

（6）元件截面突然变化；

（7）安装、温度应力、不均匀沉降等引起的附加应力集中。

关于构件细节对疲劳强度的影响，《钢结构设计规范》按应力集中影响程度将结构及连接形式从低到高分为8类，第一类为无应力集中的连接主体金属，第八类为应力集中最严重的角焊缝。

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：

1、认真选择材料。对于承受动荷载的钢结构或构件，应严格控制钢材缺陷，选用优质钢材。

2、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。

3.精心制造，最大限度地减少缺陷和残余应力。

4.精心施工，避免附加应力集中的影响。

5. 小心使用。避免对结构造成局部损坏，如划痕、孔洞、撞击等。

6、修补焊缝。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的水平。

（2）对于角焊缝，应将焊趾打磨。焊趾处经常有咬边（咬边）和焊渣侵入，因此，要达到较好的效果，必须打磨，如（图2）B焊缝所示，不但将切口磨掉，还要将板材磨掉0.5mm，以除去侵入的焊渣。这种做法虽然会稍微削弱钢板的截面，但影响并不大。如果像（图2）中间的A焊缝那样将焊缝的一部分磨掉，则得不到改善效果。图2所示为横向角焊缝，对于纵向角焊缝，可以将其端部打磨，使截面变化更平缓。处理后的表面不应有明显的划伤。

（3）对于角焊缝趾部，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。锤击引起的残余压应力和冷作硬化将提高疲劳强度。同时，锋利的切口也会减少。

总之，依靠精心的材料选择、设计、生产、安装和使用，再加上焊后采取一些特殊的工艺措施，可以提高其疲劳性能。

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，所以成本太高，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。安全寿命设计原则要求在给定的使用寿命内，构件或结构不产生疲劳裂纹。要满足这个要求，必须准确了解整个使用寿命期间可能承受的载荷；然后通过分析和实验，找出关键物件在此载荷谱下的预期寿命，再引入安全系数，使之达到安全寿命。安全寿命决定使用寿命，当结构和构件达到安全寿命后，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，只有取足够人，才能把疲劳损伤的可能性降到很低。

3. 防破损设计

损伤安全设计原则最早是在航空航天工程中发展起来的，它假定裂纹可以产生，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，以便及时发现裂纹，并且要求裂纹扩展速度要缓慢。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受到损伤之后（特别是过静态结构），载荷能够通过多条路径传递。这里要注意的是，当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的一种改进，该方法首先预先假设裂纹存在，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，该原理适用于裂纹扩展缓慢、断裂韧性高的材料。

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。

5.钢结构疲劳计算方法（略）

钢结构建筑事故分析（一）材料事故

钢结构建筑事故分析（二）变形事故

钢结构建筑事故分析（三）脆性断裂事故

钢结构建筑事故分析（四）疲劳损伤事故

钢结构建筑事故分析（五）失稳事故

钢结构建筑事故分析（六）腐蚀事故

钢结构建筑事故分析（七）火灾事故