钢结构两大杀手：脆性断裂和疲劳，零基础易懂

第八章 钢结构的脆性断裂和疲劳（讲课版·零基础易懂）

先把本章的核心定位一句话钉死：

之前我们所讲述的强度遭破坏、稳定性被破坏、发生变形过大的情况，大多是处于静力荷载状况下所引发的问题，抑或是那种能让人察觉到其中预兆的情形，要么亦是构件形状方面所出现的问题。

而第八章所讲述的这两种破坏情况，即为脆性断裂以及疲劳破坏，它们属于钢结构里最为危险、最为隐蔽且最易于突然发生事故的两种失效形态，它们常常是在钢材强度依旧足够、构件并未弯曲、也没有失稳的状况下，突然之间就发生断裂、坍塌，并且大多是出现在低温环境下、反复受到力作用的结构当中，像是厂房吊车梁、桥梁、管道、重型钢结构这些，这是工程中必须要严格防范、坚决守住的问题。

8.1 钢结构脆性断裂及其防止

这个部分专门去处理一个问题，质量上乘的钢材，其塑性明明是非常良好的，为何就会陡然间如同玻璃那般破碎掉，完全连丝毫拉长、变形的预兆都不存在呢？

一、先搞懂：什么是脆性断裂？

我们不用书本定义，用最直观的例子：

我们平常讲钢材不错，是鉴于它具备塑性，在拉伸时会出现变长以及变细的状况，最终才会断裂，在断裂之前存在显著的预兆，这种情况称作塑性破坏，是安全的。

可是脆性断裂呢，它是钢材完全不会拉长，也不会变形，并且没有任何一点儿预兆，就“咔嚓”一下子直接断开了，其断口十分平整、还很光亮，就如同碎玻璃、断粉笔这般，这种破坏发生的速度极其快，在几分之一秒内结构就会彻底失效，根本就来不及去补救，它乃是钢结构最为可怕的破坏形式。

二、脆性断裂最容易在什么情况下发生？

我们总结成5个最关键的诱因，全是工程里的真实场景：

1. 温度太低

这是最为关键的缘由，钢材于常温之际韧性颇为良好，然而当温度下降到一定水准时，会陡然从“韧性良好”转变为“脆性极大”，此温度被称作冷脆转变温度，北方的冬季、处于低温状态的车间，极易出现脆性断裂的情况。

2. 应力集中太严重

构件上面存在尖角，还有小孔，并且有切口，另外有焊缝缺口，同时截面会突然变窄，力于此处挤作一团，局部应力刹那间变大，便会从这个位置起始脆断。

3. 钢材厚度太大

厚钢板相较于薄钢板，存在更容易脆断这种情况，由于厚钢板内部质量更为难以把控，并且其韧性更为差劲。

4. 焊接缺陷+残余应力

焊缝当中存在气孔，以及裂纹，并且还有夹渣，除此之外，焊接所留下的残余内应力，这情况就如同给钢材埋下了“裂口”，一旦遭遇低温便会裂开。

5. 加载速度太快

突然的冲击荷载、快速加载，钢材来不及塑性变形，直接脆断。

三、脆性断裂的本质

一句话总结：

处于低温状态，存在应力集中情况，钢材本身韧性较差，还有焊接缺陷出现，把这些因素凑在一起，钢材就会从原有的“软而韧”状态转变为“硬而脆”状态，进而发生没有任何预兆的突然断裂现象。

四、怎么防止脆性断裂？

我们讲得通俗、好记，全是能直接用的措施：

1. 选韧性好的钢材

设计的时候，要依据使用地区的温度情况，挑选低温冲击韧性达标的钢材，在北方寒冷地区，一定要选择韧性更为优良的牌号，绝对没办法使用韧性不好售价较低尚便宜钢材。

2. 避免应力集中，构造要平顺

构件的截面，不要忽然间变得狭窄，尖角应当改为圆角，开孔需要圆滑，不随意进行乱切口，要使得力能够顺畅地传递，不会挤在一个点上。

3. 保证焊接质量，减少焊接缺陷

焊缝得焊透，不能有裂纹，也不能有夹渣，对于重要结构要进行探伤检查；焊接之前要预热，焊接之后要缓冷，以此减少残余应力，防止焊缝成为脆断的起始点。

4. 避免厚钢板滥用

能够使用薄钢板的情形下就不采用厚钢板，要是必定得用厚钢板，那就特意去找厚板专用的具备韧性的钢材。

5. 低温环境施工要格外注意

天气寒冷之时，进行焊接操作，一定要预先加热，不可在低温状况下，强行进行冲击、加载行为，从而保证钢材不会受到冷脆的影响，得以妥善保护。

这一节记住一句话：

脆性断裂具有突然性，且毫无预兆，极其惧怕低温以及应力集中，需通过选好钢材、做好构造使其顺畅、焊好焊缝这些方式来加以防止。

8.2 钢结构抗疲劳设计

要是讲脆性断裂属于低温状况里出现的骤然消亡，那么疲劳破坏便是历经反复受力以后呈现的“慢性病发作”，并且还是钢结构最为常见的隐蔽损害。

一、什么是疲劳破坏？

我们用最通俗的例子讲：

彼时你手持一根铁丝，不停地来回弯折，一次两次均未断裂，持续弯折几十次直至铁丝断开那刻，并非其自身强度不足，而是反复弯折、反复承受外力才致使其如同被“累垮”一般断开，此即疲劳破坏现象。

放到钢结构里：

吊车梁每日遭受吊车来回施压，桥梁每日有车辆通行，屋架每日承受风吹拂摆动，机器底座持续产生震动，这些反复出现变化的荷载 ，致使钢材内部的微小裂纹逐渐变长，进而变大，最终裂纹 across整个构件，突然发生断裂，此即钢结构的疲劳破坏。

二、疲劳破坏的3个核心特点

1. 和钢材强度没关系

即是采用强度更为高的钢材，那也依旧会出现疲劳断损的情况，钢材的疲劳状况可不是依据强度有多高来判定的嗷，而是取决于反复承受作用力的次数以及应力变化的大小情况。

2. 破坏前没有明显变形

有裂纹，它慢慢地生长，你却无法看见，以至于等它裂透的时候，突然就会断掉，这和脆性断裂一样存在危险程度上没差呢。

3. 全是从“应力集中点”开始的

疲劳裂纹百分百于焊缝、孔洞、尖角、切口、截面突变这些处起始，这些地方应力极其地集中，极其容易最早开裂。

三、影响疲劳的关键因素

1. 应力幅

就是在反复荷载之中，存在应力最大值与最小值的差值，这个差值要是越大，那么疲劳损坏的速度就越快。

2. 循环次数

反复受力的次数越多，裂纹越长，越容易断。

3. 构造细节

焊缝越差、缺口越多、构造越乱，疲劳性能越差。

4. 钢材质量

内部有缺陷的钢材，更容易产生疲劳裂纹。

四、钢结构抗疲劳设计的核心原则

简化成零基础能懂的4条，不用记复杂公式：

1. 构造细节是第一位的

这可是对抗疲劳而言最为关键的办法哟！将尖角更改成为圆角，把焊缝打磨得平滑顺畅，不开启多余的孔，截面缓缓地进行过渡，以消除应力集中，从根源之处不让裂纹生长出来呢。

2. 限制应力幅

不允许反复荷载的应力出现太大的变化，规范之中给出了针对不同构造的容许应力幅，仅需不超出这一数值，疲劳便不会损坏。

3. 保证焊接质量

焊缝属于疲劳的重灾区域，其必须不存在裂纹，不存在缺陷，对于重要的疲劳构件，例如吊车梁，其焊缝需要打磨至平整状态，得以减少缺口。

4. 避免随意焊接、打孔

对于已然制作完成的构件，于受力较大之处，不可随意进行补焊，不可随意进行打孔，否则会直接致使疲劳裂纹予以产生。

五、最容易疲劳的钢结构

- 厂房吊车梁（每天吊车来回跑，反复受力最多）

- 公路、铁路桥梁

- 振动设备的底座、支撑

- 受风荷载反复作用的屋架、天窗架

这些结构，必须做疲劳设计，绝不能忽略。

这一节记住一句话：

疲劳是反复荷载造成钢材“累断”，从应力集中点起始开裂，依靠平顺构造、良好焊缝、限定应力幅来加以防止。

第八章 终极大白话总结

1. 第八章讲述钢结构存在两种极为危险的、会突然发生的破坏情况，一种是脆性断裂，另一种是疲劳破坏，这两种破坏都没有任何预兆，并且容易导致结构坍塌。

2. 脆性断裂，是由低温、应力集中以及焊接缺陷所引发的一种状况哦，其情形就如同玻璃摔碎那般，是通过选用韧性钢材、使构造顺达以及将焊缝焊接良好等方式来加以防止的呢。

3. 钢材出现疲劳破坏，是反复荷载致使它慢慢“累断”，这种破坏起于焊缝、尖角等应力集中之处，而且其与材料强度并无关联，要依靠构造平顺、限制应力幅度以及保证焊接质量来加以防止。

4. 脆性断裂惧怕低温，疲劳破坏惧怕反复动荷载，这些都是钢结构设计必须重点防范的问题。