第3章 钢结构的可能破坏形式

1/31主讲：蔡勇中南大学土木建筑学院建筑工程系2/31主要内容：结构的整体失稳破坏结构的局部失稳、截面的分类结构的塑性破坏、内力塑性重分布结构的疲劳破坏、损伤累积破坏和脆性断裂破坏重点：结构的整体失稳、局部失稳结构的塑性破坏、内力重分布结构的疲劳破坏第3章钢结构的可能破坏模式3/31§3.1结构的整体失稳破坏§3.2结构和构件的局部失稳、截面分类§3.3结构的塑性破坏、应(内)力重分布§3.4结构的疲劳破坏§3.5结构的损伤累积破坏§3.6结构的脆性断裂破坏第3章钢结构的可能破坏模式4/31§3.1结构的整体失稳破坏3.1.1关于稳定的概念3.1.2失稳的类别3.1.3结构稳定分析的原则3.1.4钢构件的整体稳定5/313.1.1关于稳定的概念结构整体失稳破坏：作用在结构上的外荷载尚未达到按强度计算得到的结构破坏荷载时，结构已不能承担并产生较大的变形，整个结构偏离原来的平衡位置而倒塌。6/313.1.1关于稳定的概念稳定性的定义：结构在荷载作用下处于平衡位置，微小外界扰动使其偏离平衡位置，若外界扰动除去后：仍能回复到初始平衡位置——稳定的不能回复到初始平衡位置，且偏离越来越远——不稳定的不能回复到初始平衡位置，但停留在新的平衡位置——临界状态(随遇平衡)强度问题是应力问题；稳定问题是要找出作用与结构内部抵抗力之间的不稳定平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，属于变形问题。7/313.1.2失稳的类别1.欧拉屈曲（第一类失稳、分枝型失稳）——屈曲荷载或欧拉临界荷载在临界状态前，结构保持初始平衡位置，在达到临界状态(屈曲)时，结构从初始的平衡位置过渡到无限临近的新平衡位置，平衡状态出现分岔。如：理想的轴压直杆的屈曲。分枝型失稳原始平衡临界平衡8/31※失稳的类别※2.极值型失稳（第二类失稳、压溃）——失稳极限荷载或压溃荷载没有平衡分岔现象，结构变形随荷载的增加而增加，直到结构不能承受增加的外荷载。如：压弯杆件的失稳。极值型失稳压弯杆件9/31※失稳的类别※3.屈曲后极值型失稳——屈曲后强度开始有平衡分岔现象，但屈曲后并不立即破坏，有较显著的屈曲后强度，能继续承载，直到极值型失稳。如：薄壁构件中的受压翼缘板、腹板。屈曲后极值型失稳10/31※失稳的类别※4.有限干扰型失稳（不稳定分岔屈曲）与屈曲后极限型失稳相反，结构屈曲后承载力迅速下降，若结构有初始缺陷时将不会出现屈曲现象而直接进入承载力较低的极值型失稳。如：承受轴向荷载圆柱壳的失稳。有限干扰型失稳均匀受压圆柱壳11/31※失稳的类别※5.跳跃型失稳结构由初始平衡位置突然跳到另一个平衡位置，在跳跃过程中出现很大的位移。如：承受横向均布压力的球形扁壳。跳跃型失稳均布荷载作用下的坦拱12/313.1.3结构稳定分析的原则(2)材料非线性的影响：弹性→弹塑性→稳定的双非线性分析(3)结构和构件的初始缺陷：包括构件的初弯曲、初偏心、几何偏心以及残余应力等。(1)几何非线性的影响：①位移和转角均较小，但考虑结构变形对外力效应的影响—二阶分析，如钢构件、框架及钢拱的整体稳定分析；②转角较小但考虑大位移，钢框架同时考虑构件和结构的整体稳定分析；③大位移大转角的非线性分析，如网壳结构的稳定、板件的屈曲后强度分析。13/313.1.4钢构件的整体稳定轴压构件：弯曲失稳、扭转失稳、弯扭失稳受弯构件：弯扭失稳压弯构件：截面单轴对称——弯曲失稳(弯矩作用平面内)弯扭失稳(弯矩作用平面外)截面双轴对称——弯扭失稳(弯矩作用平面内、外)框架和拱：弯曲失稳(框架或拱平面内)弯扭失稳(框架或拱作用平面外)14/31§3.2结构和构件的局部失稳、截面分类3.2.1局部失稳的概念3.2.2局部与整体相关稳定3.2.3截面的分类问题15/31在保持整体稳定的条件下，结构中的局部构件或构件中的板件已不能承受外荷载而失去稳定。受压板件的失稳是屈曲后极值失稳，板件屈曲后仍有较大的承载能力进入屈曲后强度阶段。局部失稳后仍有屈曲后强度的结构和构件，虽能继续承载，但其整体失稳时的极限承载力将受到局部失稳而降低。3.2.2局部与整体相关稳定3.2.1局部失稳的概念ABCDEFGABCDEFOP16/313.2.3截面的分类问题局部失稳的屈曲荷载与板件的宽厚比有关。按宽厚比分为四类：第1类：宽厚比最小，即使受弯形成塑性铰并发生塑性转动时，仍不会局部失稳——塑性设计截面(特厚实截面)第2类：受弯形成塑性铰但不发生塑性转动时，仍不会局部失稳——弹塑性设计截面(厚实截面)第3类：受弯并当边缘纤维达到屈服点时，板件不会局部失稳——弹性设计截面(非厚实截面)第4类：受弯时局部失稳，应利用屈曲后强度进行设计——超屈曲设计截面(纤细截面或薄柔截面)17/31§3.3结构的塑性破坏、应(内)力重分布3.3.1结构的塑性破坏3.3.2应力塑性重分布3.3.3内力塑性重分布18/313.3.1结构的塑性破坏受拉构件破坏过程：在杆系结构中，结构的强度破坏都由受拉或受弯构件的强度破坏所引起，受压构件一般发生失稳破坏。在不发生整体失稳和局部失稳的条件下，内力随荷载的增加而增加，当截面内力达到截面的承载力并使结构形成机构时，结构就丧失承载力而破坏，称为结构的强度破坏。首先拉应力达到屈服点其次，构件进入塑性变形，明显伸长随后材料进入强化阶段最后，达到抗拉强度后，构件拉断受弯构件破坏过程：首先受拉边缘应力达到屈服点其次，构件进入弹塑性受力阶段，形成塑性铰随后发生塑性转动，内力重分布，相继出现塑性铰最后，形成机构而倒塌破坏结构强度破坏时会出现明显得变形，因此又称为塑性破坏(延性破坏)。纯粹的强度破坏很少。因破坏过程中的明显变形将引发其它类型的破坏发生。19/31残余应力：钢结构在轧制、冷加工和焊接制作过程中都会在构件截面产生应力，一般是自相平衡的内力。但有时数值很大，甚至达到屈服点。3.3.2应力塑性重分布应力集中：在开孔或截面改变处出现，其最大应力比不考虑应力集中时的数值大得多，甚至达到几倍。20/31※应力塑性重分布※在静态荷载和塑性破坏情况下，残余应力和应力集中现象不会影响构件的强度。但对构件的失稳破坏、脆性断裂和疲劳破坏都有明显影响。应采取措施减少残余应力和应力集中现象。在应力达到屈服点时，因流幅的存在，不均匀应力将逐渐趋向均匀，最终出现应力塑性重分布现象。无论受弯还是受拉构件，只要钢材具有足够塑性，最终将形成塑性铰，达到各自的极限应力状态。21/31受弯构件的强度破坏常以截面形成塑性铰为破坏标志。在超静定结构中，利用结构的延性特征，常以相继出现多个塑性铰直至形成机构作为结构承载能力的极限状态。设计时利用了塑性性能——塑性设计。3.3.3内力塑性重分布如能保证结构只发生强度延性破坏，即可用塑性设计对结构进行设计，并能达到明显得经济效益。22/31§3.4结构的疲劳破坏3.4.1疲劳破坏现象3.4.2影响疲劳破坏的因素3.4.3疲劳强度的确定3.4.4几种情况的处理3.4.5提高疲劳强度和疲劳寿命的措施3.4.6出现疲劳裂缝后结构剩余寿命的估计23/313.4.1疲劳破坏现象钢结构和钢构件的疲劳破坏不同于钢材的疲劳破坏。钢结构或构件的初始缺陷成为疲劳破坏裂纹的起源，其破坏阶段分为裂纹的扩展和最后断裂两个阶段。3.4.2影响疲劳破坏的因素应力集中——主要因素内在缺陷非焊接结构：表面缺陷，轧制、切割、冷加工等过程产生的微裂纹以及螺栓孔等焊接结构：焊缝的外形及其缺陷，如气孔、咬边、夹渣、焊接裂纹、起弧和灭弧处的不平整等残余应力所处的环境：在有腐蚀性介质环境中，疲劳裂纹的扩展速率会受到不利影响24/313.4.3疲劳强度的确定对于焊接结构：名义应力循环特征ρ＝σmin/σmax不能代表疲劳裂缝处的应力状态。原因：焊缝附近存在着很大的焊接残余拉应力实际应力状态：从受拉屈服点fy开始变动一个应力幅Δσ＝σmax-σmin焊接连接或焊接构件的疲劳强度直接与Δσ有关，而与ρ的关系不大。Δσ是控制疲劳破坏循环次数最主要的应力变量。25/31※疲劳强度的确定※1cN对于焊接结构和常幅应力循环情况：1cN3.4.4几种情况的处理非焊接结构：残余应力的影响：ρ≥0时，影响不大；ρ0时，影响明显。调整的应力幅准则：maxmin焊接部位：α=1.0；非焊接部位：α=0.726/313.4.4几种情况的处理非常幅应力循环情况：线性累积损伤准则(Miner准则)：3.4.5提高疲劳强度和疲劳寿命的措施提高疲劳强度——在疲劳破坏循环次数给定情况下，提高应力幅的值提高疲劳寿命——在应力幅的值给定情况下，提高疲劳破坏循环次数11iiieiinnnN其中Δσ给定时，提高疲劳寿命的方法：减少初始缺陷：a1→a0，增加ΔN1次延迟瞬间断裂到C点：B→C，增加ΔN2次27/31※提高疲劳强度和疲劳寿命的措施※减少应力集中，也能提高疲劳寿命：构造细节合理设计，尽可能减少应力集中；严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸；除去对接焊缝表面余高部分，打磨角焊缝焊趾或端部，减少应力集中的程度。3.4.6出现疲劳裂缝后结构剩余寿命的估计线弹性断裂力学理论分析：2111aadaNAa28/31§3.5结构的损伤累积破坏29/31※结构的损伤累积破坏※在强度很大但反复次数不多的反复荷载作用下发生，故称低周疲劳断裂。预防措施：(1)对钢材和焊缝进行无损检测，尽量防止缺陷的存在；(2)合理设计节点构造细节，减小三向拉应力使钢材变脆的危险性；(3)构件和节点构造尽量减少应力集中；(4)限制S、P等有害杂质含量，防止钢材低温变脆；(5)防止形成“人工裂缝”。影响构件损伤累积破坏最重要的因素：应力集中和材料性能变脆。30/31§3.6结构的脆性断裂破坏3.6.1结构脆性断裂3.6.2影响结构脆性断裂的因素31/313.6.1结构脆性断裂断裂破坏前无任何征兆，不出现异样和明显变形，无早期裂缝；断裂破坏时，荷载很小，甚至无荷载作用。3.6.2影响结构脆性断裂的因素①裂纹②应力③材料IICKaK线弹性断裂力学理论8lnsec2ycyfaEf弹塑性断裂力学理论(COD)钢板厚度应力状态工作温度加荷速率残余应力和应力集中