一、疲勞破壞的概念

疲勞間題最初是在1829年由法國采礦工程師爾倍特(W.A.J. Albert)根據他所做的鐵鍊的重複載荷試驗所提出的。1839年波客來持( Poncelet)肖先采用“疲勞“( Fatigue)一詞來描述“在反複施加的載荷作用下的結構破壞現象”,但是以”疲勞”一詞作為題目的第一篇論文是由勃累士畏( Braithwaite)于1854年在倫敦土木工程年會上發表的。在第二次世界大戰中,發生了多起飛機疲勞失事事故,人們從一系列的災難性事放中,逐漸認識到疲勞破壞的嚴重性。

金屬結構的疲勞是工程界早已關注的問題。就金屬結構而言,包括飛機,車輛等各類結構都在内的總體,大約80%-90%的裝壞事故和疲勞有關。其中土建鋼結構所占的比重雖然不大,但随着焊接結構的發展,焊接吊車梁的疲勞問題已十分普遍,受到了工程界人士的重視。目前,《鋼結構設計規範》中已建立了疲勞驗算方法,此方法對防止疲勞破壞的發生有重要作用。

鋼結構的瘦勞破壞是指鋼材或構件在反複交變荷載作用下在應力遠低于抗控極限強度甚至屈服點的情況下發生的一種破壞。就斷裂力學的觀點而言,疲勞破壞是從裂紋起始,擴展到最終斷裂的過程。

疲勞破壞與靜力強度破壞是截然不同的兩個概念。它與塑性破壞和脆性破壞相比具有以下特點：

（1）疲勞破壞是鋼結構在反複交變動載作用下的破壞形式,而塑性破壞和性破壞是鋼結構在靜載作用下的破壞形式。

（2）疲勞破壞雖然具有性破壞特征,但不完全相同。勞破壞經曆了裂纏起始、擴展和斷裂的漫長過程,而脆性破壞往往是無任何先兆的情況下瞬間突然發生。

（3）就疲勞破壞斷口面言,一般分為疲勞區和瞬斷區(圖1)。疲勞區記載了裂縫擴展和閉合的過程,顔色發暗,表面有較清楚的疲勞紋理,呈沙灘狀或波紋狀。瞬斷區真實反映了當構件截面因裂縫擴展削弱到一臨界尺寸時脆性斷裂的特點,瞬斷區晶粒粗亮。

二、疲勞破壞的影響因素分析

疲勞是一個十分複雜的過程,從微觀到宏觀,疲勞破壞受到衆多因素的影響,尤其是對材料和構件靜力強度影響很小的因素,對疲勞影響卻非常顯著,例如構件的表面缺陷,應力集中等。

自1972年裡海大學J. W. Fisher提出疲勞設計新概念至今，各國普遍公認,影響鋼結構疲勞破壞的主要因素是應力幅,構造細節和循環次數,而與鋼材的靜力強度和最大應力無明顯關系,該觀點尤其對焊接鋼結構更具有正确性。

應力集中對鋼結構的疲勞性能影響顯著,而構造細節是應力集中是應力集中産生的根源。構造細節常見的不利因素：

（1)鋼材的内部缺陷,如偏析、夾渣、分層、裂紋等；

（2)制作過程中剪切、沖孔、切割；

（3)焊接結構中産生的殘餘應；

（4)焊接缺陷的存在,如:氣孔、夾渣、咬肉、未焊透等；

（5）非焊接結構的孔洞、刻槽等；

（6）構件的截面突變；

（7）結構由于安裝、溫度應力、不均勻沉降等産生的附加應力集中。

對構件細節對疲勞強度的影響,《鋼結構設計規範》中把構造和連接形式按吃力集中的影響程度由低到高分為8類。第一類為基本無應力集中影響的無連接處的主體金屬,第八類則為應力集中最嚴重的角焊縫。

三、提高和改善疲勞性能的措施

由疲勞性能的三個影響因素來看,應力幅及循環次數是客觀存在的事實,因此,提高和改善疲勞性能的途徑隻有從減小應力集中入于。具體措施如下：

1、精心選材。對用于動載作用的鋼結構或構件,應嚴格控制鋼材的缺陷,并選擇優質鋼材。

2.精心設計。力求減少截面突變,避免焊縫集中,使鋼結構構造做法合理化。

3.精心制作。使缺陷、殘餘應力等減小到最低程度。

4.精心施工。避免附加應力集中的影響。

5．精心使用。避免對結構的局部損害,如劃痕、開孔、撞擊等。

6.修補焊縫。目的是緩解缺陷産生的應力集中,方法如下:

（1）對于對接焊縫,磨去焊縫表面部分,如對接焊縫的餘高。如果焊縫内部無顯著缺陷，疲勞強度可提高到和母材相同。

（2)對于角焊縫,應打磨焊趾。焊縫的趾部時常存在咬肉(咬邊)等切口,且有焊渣侵入。因此,要得到較好的效果,必須像（圖2）所示B縫那樣,不僅磨去切口,還要将闆磨去0.5mm,以除去侵入的焊渣。這種做法雖然使鋼闆截面稍有削弱,但影響并不大。如果像（圖2）中A縫那樣磨去部分焊縫,就得不到改善的效果。圖2所示為橫向角焊縫,對于縱向角焊縫,則可打磨它的端部,使截面變化趨于緩和,打磨後的表面不應由明顯刻痕。

（3)對于角焊縫的趾部,用氣體保護鎢弧重新熔化,可以起到消除切口的作用。此方法在不同應力幅的情況下疲勞壽命都能同樣提高。

（4)在焊縫及附近金屬表層采用噴射金屬丸粒或錘擊等方法引入殘餘壓應力,是改善疲勞性能的一個有效方法。殘餘壓應力和錘擊造成的冷工硬化均會使疲勞強度提高。同時尖銳切口也被緩減。

總之,依靠精心的選材、設計、制作、安裝和使用,再加上焊接之後的一些特殊工藝措施,可以達到提高和改善疲勞性能的作用。

四、疲勞設計準則

根據結構和構件的重要性,目前國際上有以下四種疲勞設計準則。

1、無限壽命設計

這是一種最保險的方法。采用此準則設計的許用應力必須低于疲勞極限。因應力低,造價過高,往往不現實。

2、有限壽命設計

有限壽命設計也稱為安全壽命設計。安全壽命設計準則要求零部件或結構在給定的使用周期内不能産生任何疲勞裂紋。為滿足此要求,必須準确掌握整個使用壽命期間可能承受的載荷;然後通過分析和實驗找出關鍵物件在這一荷載譜作用下的預期壽命,再引入安全系數以達到安全壽命。安全壽命決定使用期限,結構和構件用到安全壽命即予報廢或更換。但事實上,我們很難預測使用期間所有的載荷條件,且疲勞實驗結果又有很大的離散性。因此,安全系數确定中有許多不定因素,隻有取的足夠人,才能使勞破壞的可能性降到很低。

3.破損一安全設計

破損一安全設計準則首先是在航空工程中發展起來的。它認為裂紋可以出現,但在整個裂紋被檢測和進行修理前,所出現的裂紋不會導緻整個結構的破壞。這就要求定期檢查和維修,以便及時發現裂紋,同時要求裂紋擴張速度較慢。此外,希望所設計的結構能夠進行載荷多路徑傳遞轉移,即将結構某一環節破壞後(特别是超靜定結構),載荷能夠被轉移并重新分布。在此說明一點,釆用此類設計方法時,确定容許應力幅可以減去一倍标準差,而不是常規的兩倍标準差。

4. 損傷一容限設計

損傷一容限設計準則是破損一安全設計的改進,此法首先是假定裂紋預先存在,再用斷裂力學的分析和試驗方法判斷裂紋足否擴展到臨界尺寸,以緻造成破壞。此準則适用于裂紋擴展較慢并有高斷裂韌性的材料。

以上述四種設計準則都有各自的優缺及适用範圍。在建築鋼結構的疲勞設計中,以安全壽命設計法與破損一安全設計相結合更為合理。

五、鋼結構疲勞計算方法（略）

鋼結構建築事故分析（一）材料事故

鋼結構建築事故分析（二）變形事故

鋼結構建築事故分析（三）脆性斷裂事故

鋼結構建築事故分析（四）疲勞破壞事故

鋼結構建築事故分析（五）失穩事故

鋼結構建築事故分析（六）鏽蝕事故

鋼結構建築事故分析（七）火災事故