中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)疲勞研究領(lǐng)域的30年進(jìn)展

魏賓賓

摘 要：鋼結(jié)構(gòu)由于其性能的獨(dú)特性，被廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)中。但是，由于各種隨機(jī)循環(huán)載荷的作用下，經(jīng)常發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)疲勞疲勞破壞，其所具有的突發(fā)性和破壞性，都對(duì)生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重的影響和損失，因此，鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞一直都是國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)術(shù)界重點(diǎn)關(guān)注的問題。本文將通過我國(guó)30年來對(duì)鋼結(jié)構(gòu)疲勞領(lǐng)域的探索研究以及發(fā)展進(jìn)行總結(jié)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞涉及到的一些問題進(jìn)行分析和建議。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)，疲勞，研究進(jìn)展

在現(xiàn)有的各類材料，構(gòu)建及結(jié)構(gòu)中，疲勞破壞是最常見的一種破壞形式，涉及領(lǐng)域廣，在土木工程、鐵路、航空都有相關(guān)的疲勞破壞事故的發(fā)生。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，鋼結(jié)構(gòu)的破壞中50%～90%都屬于疲勞破壞。因此，我國(guó)30年來一直注重加大對(duì)疲勞問題的理論和試驗(yàn)研究的力度，預(yù)防疲勞破壞的產(chǎn)生，保障了國(guó)家經(jīng)濟(jì)和人民的生命安全。

1.鋼結(jié)構(gòu)疲勞

1.1鋼結(jié)構(gòu)疲勞的定義

鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞是指在連續(xù)反復(fù)循環(huán)的荷載作用下，應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度甚至低于屈服強(qiáng)度時(shí)便發(fā)生脆性斷裂的現(xiàn)象。一般來講，疲勞強(qiáng)度與反復(fù)荷載引起的應(yīng)力的種類、循環(huán)形式、循環(huán)次數(shù)、集中程度和殘余應(yīng)力等有關(guān)。

1.2鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞的過程

一般來說，疲勞破壞其過程依次經(jīng)歷裂紋形成，裂紋緩慢擴(kuò)張及迅速斷裂三個(gè)階段。實(shí)際上，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來說，疲勞破壞過程只有后面兩個(gè)階段。由于鋼材生產(chǎn)和結(jié)構(gòu)制造過程中，無法避免在結(jié)構(gòu)某些部位造成微小缺陷，如化學(xué)成分偏析、非金屬雜質(zhì)，非焊接構(gòu)建表面的刻痕、焊接雜質(zhì)侵入的焊縫，焊縫內(nèi)存在的氣孔等，都是產(chǎn)生裂紋的主要原因。這些缺陷本身就有著類似于微裂紋的作用，又被稱為“類裂紋”。這些部位一般會(huì)隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，以同心圓的形式從表面向內(nèi)部深入。當(dāng)遇到難以承受的荷載應(yīng)力時(shí)，偶爾的震動(dòng)或是沖擊都會(huì)發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)突然斷裂。

1.3疲勞破壞的特點(diǎn)

疲勞破壞不同于靜荷載作用下的破壞，主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)特點(diǎn)：

（1）破壞時(shí)的最大應(yīng)力值低于靜荷載時(shí)材料的極限強(qiáng)度，甚至低于屈服極限。

（2）疲勞破壞部位一般位于應(yīng)力高度集中的部位的截面，并非最大應(yīng)力的截面。

（3）沒有明顯的塑性變形和明顯預(yù)兆，突發(fā)性極強(qiáng)，因而引發(fā)嚴(yán)重事故，造成巨大損失和傷亡。

（4）斷口處分為拓展區(qū)和拉斷區(qū)兩個(gè)區(qū)域。拉斷區(qū)一般為脆性顆粒狀斷口或帶有一定韌性的斷口。

1.4影響疲勞破壞的主要因素

影響鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞的主要因素主要有盈利循環(huán)次數(shù)，應(yīng)力比R，應(yīng)力幅，剛才抗疲勞性能，應(yīng)力相對(duì)集中以及加工制作時(shí)的缺陷等幾方面。不同的構(gòu)件及其連接產(chǎn)生疲勞破壞的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)各不相同。應(yīng)力幅越大，循環(huán)次數(shù)相應(yīng)的越少，反之越多。應(yīng)力幅小于一定數(shù)值時(shí)，應(yīng)力無限多次循環(huán)也不至于產(chǎn)生疲勞破壞。焊接結(jié)構(gòu)的焊縫由于操作原因容易產(chǎn)生缺陷，一般是產(chǎn)生裂源的主要部位，一些數(shù)值高達(dá)鋼材屈服點(diǎn)的殘余拉應(yīng)力經(jīng)常存在于這些部位，實(shí)際應(yīng)力被改變，影響著應(yīng)力幅。同時(shí)，應(yīng)力高度集中，使剛才在塑性變形過程中出現(xiàn)困難而容易產(chǎn)生斷裂。另外，鋼材的本身性能也影響著抗疲勞性能。

2提高疲勞壽命的方法

想要提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，要在設(shè)計(jì)構(gòu)造的初期進(jìn)行控制，要考慮到結(jié)構(gòu)使用過程中受到的各種情況，進(jìn)行科學(xué)有效的設(shè)計(jì)，盡量使結(jié)構(gòu)的尺寸由靜力進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，保證施工質(zhì)量，減少初始裂紋的尺寸，在原材料的選擇上，進(jìn)行把關(guān)，檢測(cè)部門對(duì)原材料的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把控，選擇韌性較好的材料。同時(shí)降低結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)力幅，以此提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

3鋼結(jié)構(gòu)疲勞的研究趨向及熱點(diǎn)問題

通過廣大科研工作者三十年來在鋼結(jié)構(gòu)疲勞領(lǐng)域的不斷探索和大量實(shí)驗(yàn)研究，我國(guó)在鋼結(jié)構(gòu)疲勞領(lǐng)域取得了巨大的研究成果，推動(dòng)該領(lǐng)域長(zhǎng)足快速的發(fā)展。然而，不應(yīng)該忽視和忘記的是，相比于國(guó)外的科研水平，仍有巨大差距。目前國(guó)內(nèi)情況，都是注重理論研究，對(duì)于實(shí)質(zhì)上的疲勞試驗(yàn)不夠重視，另外，注重疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命的研究，不重視疲勞載荷這一問題。在GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，從1974～2003整整30年的所有修訂內(nèi)容，有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)疲勞的規(guī)范無重大變化，致使行業(yè)所依據(jù)的規(guī)范陳舊，單一，早已經(jīng)不能滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)格結(jié)構(gòu)發(fā)展大跨越的需求?！霸试S應(yīng)力設(shè)計(jì)法”至今仍在沿用，相比極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法差距甚遠(yuǎn)，所涉及到的相應(yīng)理論技術(shù)都十分落后。另外，由于疲勞試驗(yàn)勞心費(fèi)財(cái)，研究難度大，周期長(zhǎng)，不容易出結(jié)果，科研經(jīng)費(fèi)又不足，在經(jīng)濟(jì)效益占據(jù)主導(dǎo)地位的當(dāng)今社會(huì)，許多科研學(xué)者望而卻步，導(dǎo)致研究無法繼續(xù)深入。因此，面對(duì)目前存在的問題，并就今后鋼結(jié)構(gòu)疲勞的研究趨向，提出以下幾點(diǎn)建議和意見。

（ 1）由于鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞危害極大，事故發(fā)生時(shí)造成的損失十分嚴(yán)重，因此，需要國(guó)家和各級(jí)相關(guān)部門高度重視，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞領(lǐng)域的研究給予大力扶持和經(jīng)費(fèi)的投入。

（ 2） 對(duì)于研究方向進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。疲勞載荷譜的研究是建立以可靠度和概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的前提，因此，在研究方向上，應(yīng)將重心從載荷譜的理論研究轉(zhuǎn)向載荷譜的大量調(diào)查及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方向。

（ 3） 要堅(jiān)持以疲勞試驗(yàn)作為疲勞性能研究的基礎(chǔ)，同時(shí)，要加強(qiáng)疲勞影響因素和疲勞破壞機(jī)理的研究，對(duì)常幅疲勞試驗(yàn)與變幅疲勞試驗(yàn)的結(jié)合，開展疲勞試驗(yàn)的計(jì)算機(jī)仿真研究都應(yīng)提高重視。嘗試多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)以及綜合應(yīng)用聯(lián)合手段，注重材料，構(gòu)件，節(jié)點(diǎn)連接方面的疲勞試驗(yàn)把控，并與結(jié)構(gòu)的整體模型試驗(yàn)相結(jié)合。努力做到在最少的試驗(yàn)次數(shù)中獲取最多的數(shù)據(jù)信息。

（ 4） 加快對(duì)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中相應(yīng)的疲勞條文修訂及更新，保證個(gè)行業(yè)在工作成產(chǎn)中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)疲勞有一定的規(guī)范依據(jù)。在規(guī)范修訂時(shí)，應(yīng)當(dāng)遵循“科學(xué)、嚴(yán)禁、及時(shí)”的指導(dǎo)思想。修訂內(nèi)容建議以通過成熟的研究成果擴(kuò)充疲勞連接構(gòu)造的八個(gè)類別以及實(shí)現(xiàn)“允許應(yīng)力設(shè)計(jì)法”向“極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法”轉(zhuǎn)變的疲勞計(jì)算方式這兩方面，同時(shí)對(duì)疲勞壽命的估算方法進(jìn)行補(bǔ)充。

總結(jié)：在鋼結(jié)構(gòu)建造應(yīng)用愈來愈廣泛的今天，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)疲勞的研究更加重要與緊迫。三十年的時(shí)間里，我國(guó)對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)疲勞領(lǐng)域的探索及研究有了很大的進(jìn)步并取得了豐碩的研究成果，但同時(shí)仍然存在許許多多的問題，需要科研工作者加大對(duì)鋼結(jié)構(gòu)疲勞的研究。

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