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1、O伺i麻+,fTONGJIUNIVERSITY高等钢结构理论断裂与疲劳部分作业系所结构工程与防灾研究所学号1332548学生姓名杭启兵培养类别硕士日期2013年10月6. 应力强度因子的一般表达式和用途应力强度因子的一般表达式：K=Yo-l7ra其中，为裂纹尺寸，为应力，Y为修正系数。用途：利用应力强度因子表征裂纹前段附近的应力场强弱程度，代替应力衡量线弹性裂纹体断裂强度。比如在已知裂纹长度和应力的情况下，可以判别该破坏是断裂破坏，还是塑性破坏。换言之，可以依据应力强度因子判断裂纹是否会发生失稳扩展。此外，也有学者依据应力强度因子概念，进行深入的定量研究。比如Pairs和Erdogan研究基于
2、应力强度因子的裂纹扩展速率定量计算。7. 应力强度因子与应力集中系数的区别应力强度因子K,用来表征在某一荷载作用下裂纹处的应力场强弱程度，与荷载和裂纹尺寸有关。而应力集中系数九是指在相同荷载作用下，有缺陷的截面处最大应力值与无缺陷的截面应力值之比，以衡量裂纹处应力的不均匀程度，仅仅与裂纹自身的尺寸、形状有关。应力强度因子K与应力集中系数九完全是用来表征不同的物理量，是两个不同的概念。为了更好地说明这两个概念的区别，F面考虑两种情况。1）一块长度足够的钢板，两端均匀受拉，中间处有一段垂直于长度方向的细长裂纹。在拉力很小的情况下，应力强度因子K也会很小。但是由于垂直于长度方向的裂纹尺寸细长，导致在
3、裂纹处应力分布极不均匀，从而引起应力集中系数九会很大。2）同样一块钢板，长度足够，两端同样均匀受拉，假设中间处有一个很小的光滑圆形孔洞。在拉力很大的情况下，应力强度因子K必然也会很大。但是,由弹性力学理论可以证明光滑圆形孔洞周边的应力分布较为均匀，那么应力集中系数A?很有限。在上述的举例分析中，列举了应力强度因子K很小而应力集中系数九很大、应力强度因子K很大而应力集中系数4很小这两种极端情况。因此，应力强度因子K和应力集中系数九是两个完全不同的概念。应力强度因子K衡量裂纹处应力场强度强弱，而应力集中系数九衡量在裂纹处应力的不均匀分配程度。而且，两者之间没有相关性。10.防止焊接钢结构脆性断裂的
4、基本措施目前，主要通过选材、设计、工艺、维护这四个方面来防止焊接钢结构发生脆性断裂。选材：1）在考虑结构工作环境的基础上，选择韧性较好的材料，尤其要考虑结构所受荷载的特性，以及工作环境的温度等因素，不能一味地追求高强度；2）所选的材料需要有足够的缺口韧性。可以通过夏比V形缺口冲击试验或梅氏U形冲击试验来检验材料的韧性是否到达设计要求；3）对于承受动力荷载或低温环境下工作的焊接钢结构，不能选用沸腾钢；4）当然，选材要在满足工作性能的基础上，保证一定的经济合理性。设计：1）尽量减少结构自身以及其焊接接头部位的应力集中；2）尽量使荷载能够多路径传递，采用多次超静定结构，一旦个别结构构件断裂，结构本身
5、仍能维持几何稳定，不致整体坍塌；3）不选用过厚的截面；4）在保证结构的正常使用条件下，尽量减少结构的刚度，以降低应力集中和附加应力；5）重视附件和不受力焊缝的设计，以防这些地方的裂缝扩展到主要受力元件中；6）减少或消除焊接剩余拉伸应力的不利影响。工艺：1）严格遵守施工工艺，尽量减少气孔、夹渣;2）加强焊接质量检验，正确评定缺陷；3）杜绝随意点焊附件和引孤；4）杜绝未焊透和母材未熔透现象；5）焊接后应轻敲构件，以释放部分残余应力，必要时焊接前进行预热，焊接后进行热处理；6）对于需要重焊的接头，在重焊之前要将其彻底清除干净，以防产生新的缺陷；维护：1）不得在主要构件上焊接附件或作为受力支承，必要时
6、须经设计同同意；2）避免超载，定期采用油漆防护；3）及时检修，避免对结构猛敲猛打，以防造成机械损伤；4）当气温低于结构的设计工作温度时，应对结构采取保暖措施。19.何谓热点应力热点是指结构疲劳裂纹的起源部位。热点应力是指热点处的几何应力。热点应力，作为一种应力评估的参考值，与焊接结构的几何形状和荷载条件有关。热点应力只考虑结构宏观几何形状引起的应力集中，而不考虑焊缝形状本身所引起的局部非线性应力峰值。根据定义，热点应力自然就是结构的最大应力，抑或是控制截面上控制点的应力。通常情况下，对于焊接质量较好的结构，热点应力一般取焊趾处的应力,因为在反复荷载作用下，焊趾处往往产生最大的应力，也最先产生裂
7、纹。23.如何运用结构损伤原理来评估变幅疲劳问题基于损伤原理，研究人员提出了很多判断准则或模型，比如：Miner准则、Langer准则、Marco-Starkey与Henry损伤模型、Levy试验、Birnbaum-Sauders均值Miner准则、Kececioglu概率递推法、Kececioglu疲劳可靠性应力-强度干涉模型、Bogdanoff疲劳损伤马氏链模型、Tanaka统计Miner准则、Manson双线性Miner准则、Hashin损伤曲线法、Hanshin统计疲劳累计损伤理论、Kutt-Bieniek二阶矩阵模型、Kutt-Bieniek考虑加载顺序的累积损伤准则、Wirschi
8、ng二阶矩阵模型、Altus机械-化学疲劳模型、连续Markoff过程疲劳损伤模型、疲劳累积损伤的能量法。其中，最为简单的是Miner线性累积损伤定律。Miner准则在规范中，N-S曲线一般给出的是在某一应力幅作用下结构的疲劳寿命，为了评估变幅疲劳问题，需要进行相应的变换，通常采用累积损伤定律，具体步骤如下：1）在应力-时间曲线右侧，复制一个同样的应力曲线，采用泄水法，获得若干应力幅bl、%、等；2）对于应力谱中小于疲劳极限的应力幅，在常幅疲劳强度曲线的基础上，依据相应的国家规范进行处理，以得到相应的N,.；3）根据Miner线性累积损伤定律。=匹，计算损伤度。其中，为应力谱中相应于应力幅的循
9、环次数，N,为常幅疲劳强度曲线中相应于Ab,的疲劳寿命；4）将计算得的损伤度。与1进行比较。理论认为，当。=1时，结构发生疲劳破坏。应用Miner准则的前提：1）任意等幅疲劳加载下，材料在每一应力循环里吸收等量净功。净功累积到临界值，疲劳破坏发生；2）不同等幅及变幅疲劳加载下，材料最终破坏的临界净功全部相等；3）变幅疲劳加载下，材料各级应力循环里吸收的净功相互独立，与应力等级的前后顺序。Miner准则的不足之处：1）没有给出个体损伤发展规律。Miner的净功是一个假想的抽象概念，与损伤并无直接联系。确切地说，它并不是线性累积损伤准则，而应该是线性累积循环比准则；2）没有考虑材料的分散性及试件的
10、分散性。Miner准则是按确定性的思路，假定材料没有分散性，即假定由同样材料制成的试件完全相同;3）不能解释荷载顺序效应。很显然，在Miner公式中并没有考虑荷载加载的先后顺序关系。然而，在实际试验中，荷载的低高、高低加载顺序，会导致结构不同的疲劳寿命。运用该方法评估变幅疲劳问题，本质上是一种线性叠加。考虑到试验中结构破坏时损伤度N一般大于1,所以采用Miner线性累积损伤定律评估变幅荷载作用下结构疲劳损伤时，安全富余量比较大。Langer准则Langer创造性地提出了疲劳破坏应分为裂缝萌生、裂缝扩展两个阶段，并建立了这两个阶段均适用的Langer准则。Langer用A表示疲劳损伤。对于裂纹扩
11、展阶段，A为裂纹区域与临界裂纹区域的面积比。对于裂纹萌生阶段，A是一个不明确的量，通常假设开始时A=0,裂纹出现时A=lo相关计算公式比较复杂，在此不再敖述。其实，Langer的损伤累积思想和Miner准则相似，只是他创造性地裂缝的发展阶段，并从AN关系入手，建立疲劳破坏准则。Marco-Starkey与Henry损伤模型Marco和Starkey提出了荷载加载下的损伤模型。损伤度D定义为：/、山D=巨其中，x,1o在Miner准则中，x,=1o换言之，Miner准则是Marco-Starkey与Henry损伤模型的特例。主要是考虑到应用Miner准则时，试验中结构破坏时损伤度N往往大于1。后来，Herry借助于等幅剩余S-N曲线建立了疲劳损伤模型，但该模型要求的试验量相当大。小结基于损伤原理的疲劳破坏判定方法众多，但最常用的还是Miner准则。主要原因是，Miner线性累积损伤定律理论可靠，应用方便，安全富余量较大。
