鋼構件的破壞原因及其防止對策

鋼構件是由型鋼或/和鋼板經過加工連接組成的,其破壞可發生在桿身或連接處,破壞性質和形態與鋼材、連接方法、受力狀況等有關,起因可能是由于其截面幾何特性不能滿足受力要求,板件或連接受力超過其極限承載力而失效退出工作,致使鋼構件或/和連接破壞,其破壞原因及其防止對策主要有:

強度破壞

因作用力或應力超過構件或/和連接最大極限承載能力或鋼材強度。

主要防止對策:增大板件截面積,加強連接,選用較高強度鋼材,使其折算應力σeq不大于鋼材的設計值?y/γR,(γR為抗力分項系數)即:σeq≤[σ2x+σ2y+σ2z-(σxσy+σyσz+σzσx)+3(τxy+τyzτzx)]1/2≤?y/γR(3.1)并使其連接具有足夠承載力。

  喪失穩定

因作用力達到或超出構件臨界力,或者其部分板件所受壓力超過其臨界力失去穩定退出工作,導致構件喪失繼續承載的能力。

主要防止對策:調整構件截面幾何特性、邊界支承條件,減小板件的寬厚比、長細比,使其名義應力σnomin小于其臨界應力設計值σcr/γR,即:σnomin≤σcr/γR (3.2)

疲勞破壞

因構件在荷載反復作用下,裂紋萌生、擴展、以致失穩擴展使構件失去承載力。

主要防止對策:選用塑性、韌性好的鋼材,減小缺陷,減小應力集中,降低應力幅Δσ,并使符合式(3.3)的要求:

Δσ=σmax-σmin≤[Δσ]=(C/N)1/β(3.3)

其中:σmax,σmin—最大,最小作用應力;β,C—疲勞特征參數;

N—作用應力循環次數。

脆斷破壞

因含裂紋(或類裂紋)性缺陷的構件,在裂紋張開性拉應力或復合應力作用下,裂紋失穩發展而發生破壞。

主要防止對策:選用塑性、韌性好的鋼材,減小裂紋性缺陷、降低應力水平,并使應力強度因子K1不大于與鋼材的靜力或動力斷裂韌性(K1C或K1d):

K1=Yσa1/2≤K1C(靜力)或K1d(動力) (3.4)

其中:σ—裂紋場應力;a—裂紋長度;Y—與裂紋有關的參數。

  過大塑性變形

因構件的過大不可恢復變形,導致構件產生繼發性的上列類形態的可能破壞。

主要防止對策:改善構件的邊界及受力條件;增大構件剛度或/和選用高強度鋼材。

上列鋼構件的破壞形態還與所選用結構鋼材有關,其破壞性質可能是塑性的或脆性的,這要取決于結構所用鋼材的強度級別,質量等級,品質狀況;加工偏差、缺陷,焊接、裝配殘余應力的大小和狀況;作用力的性質是靜力、動力、或沖擊性的,單次或多次反復作用的;作用應力的高、低;是簡單應力或是復雜應力;構件所處環境好壞等。

當所用鋼材強度級別高、等級差、品質次,類裂紋性缺陷及殘余應力嚴重,承受有動或沖擊荷載,且應力水平較高、狀況復雜或/和構件處于低溫惡劣環境時,其破壞常是脆性的;反之,在一般情況下,其破壞常是塑性的。

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