1.2钢结构的建造过程及其对构件性能的影响

b和m都是和材料抗拉强度f.和屈服点f，的比有关的系数：

f=bfy/(r/t)m

光伏发电标准规范范本(1.2) (1. 3)

从图1.16可以看出，，提高的幅度和材料f。高于f，的程度有关：高的越 多则应变发生后f，提高得也越多。因此，b、m两个系数都由比值f/f，确定。 从以上论述可见，冷弯型钢也是力学非匀质的。考虑到冷弯型钢壁厚很小 允许采用较小的r/t值，因此屈服点提高幅度颇大，设计时在一定条件下可以利 用圆角强化的性能。如轴心受拉和轴心受压构件，其屈服点可以敢整个截面的加 权平均值，即

式中是截面中圆角所占面积和整个面积的比。 式（1.1）不适用于f/f，小于1.2和r/大于7的情况。同时，如果受压时截 面非全部有效（即平板部分先丧失局部稳定），则不利用圆角服点的提高。如果 构件是冷轧成型的，它的平板部分的屈服点也明显提高，则式（1.4)的于，可以改 用通过试验测定的平板部分平均厨服点。 黑龙江省低温建筑研究所运用塑性理论，得出圆角强化后属服点的计算公 式，和截面平均屈服点的计算公式1.187。经统计处理和简化后，平均屈服点由下 试给出，即

fye =| f=f 12元

式中?为成型方式系数，对于冷弯高频焊（圆变)方、矩形管取7=1.7，对于圆管 和开口型钢取7=1.0；?为钢材的强屈比f/f，对Q235钢可取1.58，对Q345 钢可取1.48；1为型钢截面中心线长度，可取型钢截面积与其厚度的比值；n为 型钢截面所含棱角数目；；为型钢截面第i个棱角所对应的圆周角（rad）。 2元

果t/=1/80，7=17，=1.58，则v=1.13。 公式（1.5）和试验数据符合较好。国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》 （GB50018)规定，计算全截面有效的受拉、受压或受弯构件的强度时可以采用式 （1.5）给出的提高系数。此时强度设计值为二f。 冷弯型钢的成型过程也使它产生残余应力，将在第十一章中阐述。 2.烨接和焰割的影响 对钢材进行焊接，造成以下三种后果：

1.2钢结构的建造过程及其对构件性能的影响15 *杆，端部由刚性构件连在一起（图1.20），中央杆2的温度T1远远高于两边的杆1和3。在冷却过程中，中杆趋于缩短，但收缩倾向在很大程度上受到两根边杆的约束而不能实现，从而使它受到拉力。同时，中杆的收缩作用使边杆受到压力。显然，对整个体系来说，拉力和压力相互平衡。在两板之间焊条纵向焊缝（图1.21），情况要比上述简单模型复杂得多。这里，不仅焊缝及其近旁母材温度远远高于较远部分，而且存在热态塑性压缩问题。图1.21的两块板在施焊时处于600C以上的部分呈完全塑性。这部分在加热时受到两旁处在弹性状态的材料的制约，得不到应有的伸长，也就是受到了热态塑性压缩。在焊后冷却过程中，高温的塑性压缩部分趋向于缩得比原长度要短一些。由于温度梯度很大，而耳存在局部性的塑性压缩，冷却后焊缝及其近旁的母材残余拉应力很高，经常达到材料的屈服点，甚至因热效应对材料性能的影响而比母材原有屈服点还高一些。焊接构件的残余应力和热轧构件一样，在整个截面上拉压两部分应力自相平衡，不同的是焊接构件在焊缝及其近旁的残余拉应力特别高。了图1.20热残余应力的形成约束作用一收缩趋间图1.21有纵向焊缝板的残余应力图1.22反作用残余应力由于有热态塑性压缩，焊接构件除了残余应力外还存在残余变形，如图1.21所示的原长为1的板在温度降低到室温后缩短A。在制造厂对焊接结构的零件下料时，要考虑这种收缩而把材料适当放长。如果这两块板受到相连的刚性部分牵制而不能收缩，则整个构件将产生拉应力，这是另一种焊接残余应力，叫做反作用残余应力。在两块互相垂直板的一侧夹角焊上角焊缝（图1.22），则焊缝的收缩促使夹角减小。如果这种减小受到约束而不能实现，则焊缝的纵截而内将出现反作用残余拉应力，这种应力有可能使焊缝出现裂纹。

· 16 :第一章钢结构的基本性能钢板时常用氧气切割成需要的宽度，火焰切割的高温和焊缝一样造成残余应力和变形。两纵边用氧气切割的钢板，具有如图1.23所示的残余应力图形。这种板用作焊接形梁的翼缘时，加焊角焊缝后，残余应力转变为图1.24所示的形式1.147。如果用作工形梁的腹板，残余应力和图1.23相比变化不大。图1.23火焰切割残余应力图1.24火焰切割边的板焊后残余应力3.热矫正和热成型构件在焊接后除了长度缩小外，还会产生其他变形如角度变化、弯曲等。虽然在加工过程中采取防止措施，仍会或多或少存在残余变形，需要加以矫正。常用的矫正方法是进行局部加热，使其冷却后产生反向变形。为了防止淬火效应，加热温度不应超过900C，钢结构工程施工质量验收规范GB50205还规定，低合金钢在加热矫正后应自然冷却。对碳素钢未提这一要求，原因是含碳基低于0.25%的碳素钢率硬性很低。适宜的温度是不超过700C，最好按650C来控制[1.23]。经过调质处理的高强度钢，为了不致消除回火的效应，应把温度控制在回火温度之下，最好不超过590℃，并注意缓慢冷却。热加工成型的构件需要加热到900～1000℃。碳素钢和低合金钢应分别在温度下降到700℃和800℃C之前结束加工，低合金钢应自然冷却。1.2.3制造和安装的偏差对钢结构性能的影响钢结构的制造和安装都充许有一点偏差，偏差的最大限度应不超过施工质验收规范的规定。例如，单层钢柱出厂时及安装就位后，柱身弯曲的矢高不超过构件长度的1/1200，且不超过12mm，多节钢柱的柱身弯曲矢高则不超过该节长度的1/1500和5mm。柱子安装就位后轴线和竖直线之间在柱顶的偏差（初始倾斜)对高10米以内的单层柱不超过10mm，对更高的柱不超过H/1000及25mm（图1.25）。其他如构件的长度，就位后的标高等也都有所规定[1.15]。构件在承受荷载前存在初始弯曲，是一种几何缺陷。它对不同的构件产生不同的影响。对于轴心拉杆来说，初始弯曲使杆受拉后的变形比完善直杆要大，但并不降低杆承受拉力的能力，因为初曲的杆受拉后遂渐拉直。对于轴心压杆，情况要严重得多，初始挠度不仅不逐渐消失，反雨随压力增大而增大。因此存在初标准分享网wWbzfxWCom免费下载

第一章钢结构的基本性能

伤的情况。文献1.24认为，未受力的钢材当升温到700C以内（不超过铁碳平 衡图的临界点A），然后冷却，其拉伸性能可以恢复到常温时的水平，当升温到 800～1000C时，则冷却后的残余强度为原有强度的85%～100%。然而结构在 发生火灾时构件承受着不同程度的内力，如果应力很低，且经受的温度不很高， 则构件可以安全渡过灾难。反之，如果应力较高，且温度接近600C，则高温软化 可以导致压杆屈曲和拉杆出现颈缩，需要修复、加固或更换。如果火灾后构件没 有出现新的变形，一般都可以继续安全承载。 防止钢结构火灾损伤的途径有二：其一是用防火材料加以保护，见12.7节： 其二是开发和应用耐火钢材。宝山钢铁公司生产的耐候耐火钢系列新产品，在 600C高温下屈服点下降幅度不大于标推值的1/3，采用这种钢材可以减少或取 消防火涂层

第二章钢结构稳定问题概述

钢结构的承载能力极限状态可以出现于下列六种情况： （1）整个结构或其一部分作为刚体失去平衡（如倾复）； （2）结构构件或连接因材料强度被超过而破环： （3）结构转变为机动体系（倒塌）； （4）结构或构件丧失稳定（屈曲等）； （5）结构出现过度的塑性变形，而不适于继续承载； （6）在重复荷载作用下构件疲劳断裂。 在这些极限状态中，稳定性、抗脆断和疲劳的能力都对钢结构设计有重要 意义。

2.1钢结构的失稳破坏

稳定性是钢结构的一个突出问题。在各种类型的钢结构中，都会遇到稳定问 题。对这个问题处理不好，将造成不应有的损失。现代工程史上不乏因失稳而造 成的钢结构事故，其中影响很大的是1907年加拿大魁北克一座大桥在施工中破 坏，9000t钢结构全部坠入河中，桥上施工的人员有75人遇难。破坏是由悬臂的 受压下弦失稳造成的。下弦是重型格构式压杆，当时对这种构件还没有正确的设 计方法。缀条用得过小是出现事故的主要原因。其他形式的结构，如贮气柜立柱， 运载桥的受压上弦和输电线路支架等，也都出现过失稳事故[2.1,2.21。 设计经验不足、性能还不十分清楚的新结构形式，往往容易出现失稳破坏事 故。大跨度箱形截面钢梁桥就曾在1970年前后出现多次事故[2.3]这些箱形梁设 计上存在的主要问题之一是对有纵加劲的受压板件稳定计算没有考虑几何缺陷 和残余应力的不利作用（参看12.3.2小节）。认真总结失败的教训，结合进行必 要的研究工作，就能得出规律性的认识，以指导以后的设计。轴心压杆的扭转届 曲，是人们了解得还不多的一个问题。美国哈特福特城的体育馆网架结构，平面 尺寸为92m×110m，突然于1978年破坏而落到地上[2.4]。破坏起因虽然可以背 定是压杆屈曲，但究竞为何曲还是众说纷绘。杆件的截面为四个角钢组成的十 字形。这种截而抗扭刚度低，有人认为扭转曲是起因2.4，也有人认为起支撑作 用的杆有偏心，未能起到预期的减少计算长度的作用才是起因[2.5]。文献[2.16] 经过深人分析，阐明这两个因素都起相当作用，并提出了偏心支撑对增强压杆稳 定性的计算方法

2.4稳定计算中的整体观点

Hif tgkt V()= plkl M(0) = Hi tgkl

由计算结果可见，只有在P保持常量时，固端弯矩M（0）、顶端挠度v（1)才 和H之间存在线性关系，即和H成比例变化。但是在P也是变基的一般条件 下，随着P的增加，M(O)和v)都呈非线性增加；即使H保持常量，M，V和P 之间仍然是非线性关系[图2.10(c)]。这种几何的非线性关系使叠加原理不能 应用。

2.4稳定计算中的整体观点

结构的稳定承载能力，和它的刚度密切相关。例如，两端简支的弹性轴心压 杆发生弯曲屈曲时，其临界力为

临界力和长度1的平方成反比，又和抗弯刚度起I成正比。又如，弹性简支梁承受 均匀弯矩时，临界弯矩值

M= 元 R EI 2

对于一定跨长1的梁，临界弯矩既随抵抗侧向弯曲的刚度EI，的增大而增大，也 随自由扭转刚度GJ和约束扭转刚度E1。的增大而增大，这是因为梁屈曲时兼 有侧向弯曲和扭转两种变形。由于验算构件稳定时形式上似乎是验算某一截面， 往往使人对强度和稳定计算的实质分辨不清。二者之间的原则区别是：强度是某 一个截面的问题，而稳定则是构件整体的问题，因为结构的刚度是它的整体组成 所决定的，包括截面刚度和构件长度。在处理稳定问题时，必须具有整体观点，下 而再通过一个简单的例子来说明。 图2.11给出一个三铰静定刚架[2.13],它的横梁具有较大的刚度，在跨度中 央承受一个集中荷载W。当已知W需要选择柱截面时，一个不熟悉稳定问题的 设计者在把W分给左右两柱后可能会按两端铰支柱和悬臂柱去选截面，即左柱 计算长度为，右柱计算长度为2h，这种做法显然是错误的。框架在没有侧向支 承时，失稳都带有侧移，所以侧移的影响不能忽视。如果认为悬臂柱失稳时上端 有侧移的，不必再另行考虑侧移的影响，也是不正确的，因为没有把框架作为

2.4稳定计算中的整体观点+ 33 +用。壁板屈曲并不等于整个杆件承载能力丧失，因此，这种压杆可以设计成壁板宽厚比大、1P杆件长细比相对较小的截面尺寸。在考察杆件的整体稳定时，由于壁板会先屈曲，采用有效宽度的计算办法来计入壁板屈曲对整体稳定的影响。这单体现了局部稳定和整体稳定之间A11B的一种关系，但并不是全部的关系，因为杆件作为一个整体对它的组成部分也会有影响。杆件不可能是完善而无缺陷的，初始弯曲的存在，使处在凹侧的壁板A受力比其他壁板为大（图2.13）。从壁板也有缺陷考虑，A板因受力大面压缩刚度减小得多[参看图2.3(b)的图2.13局部和整体相关关系虚线。A板的弱化引起整个截面的等效形心从截面形心C移向C点。这一移动导致荷载的偏心作用增大，使A板受力情况更为不利，又使偏心作用再度加大。因此，局部和整体的相关关系可以概括为：整体缺陷促使截面局部弱化，局部弱化反过来又影响整体承载能力[2.14。处于不利地位的A板在相关作用下先屈曲，会使构件稳定计算于分复杂。下面进一步阐述几何缺陷对稳定问题的影响。图2.14给出某一弹性的完善的薄壁轴心压杆和有缺陷杆件的临界力随长细比变化情况[2.15]。图中AB曲线为欧拉临界力曲线，即N=r"EA>2CD段为组成构件的壁板屈曲后按有效截面A.计算的临界力EAN=12长细比孔图2.14完善压杆和有缺陷压杆

3.1钢结构脆性破坏及其原因

3.3防止脆性断裂:43:超过允许限度，就需要加以补救。国际焊接学会（IIw）建议的质量控制水平见表3.1，从断裂力学的观点来看，对裂纹的要求有些偏高，因为完全不允许裂纹存在是不现实的。实际上长度小于6mm的裂纹在检验时不易被发现。我国《钢结构工程施工质量验收规范》对不同质量等级的焊缝规定不同的外观缺陷限值。对内部缺陷则以国家标准《钢焊缝手工超声波探伤法和探伤结果分级》为准。表3.1IIW质量控制水平缺陷类型质基控制要求纹不允许欠焊不允许大于1mm深（或5%厚度）及大于6mm长夹渣不允许大于6mm长或总长大于厚度的6倍不允许投影面积大于3%咬边及剖面不规则性不允许深度大于0.35mm或大于5%厚度焊缝是否会出现裂纹，和施焊工艺、材料以及设计细节都有关系。当焊接结构的板厚较大时（大于25mm），如果含碳量高，连接内部有约束作用，焊肉外形不适当，或冷却过快，都有可能在焊后就出现裂纹。1953年鞍山钢铁公司三大工程改造时，为确保36mm的热轧状态钢板（钢号A3）屈服点不低于2200kg/cm（216N/mm），冶炼时曾经将钢中含碳量提高到0.27%以上，以至于在冬季焊接施工中，在不预热的条件下，大量焊接结构（主要是大型全焊钢柱）产生了脆断。这就是当时有名的“钢3事故”。后来从钢材化学成分上进行了调整，把碳控制在0.22%左右，同时在焊接工艺上增加预热措施使焊缝冷却缓慢，解决了断裂问题。焊缝冷却时的收缩作用受到约束，有可能促使它出现裂纹，在板厚较大的焊接结构的设计和施工中应予以注意。图3.9表明角焊缝熔化金属的冷却和凝固过程。靠近板边的熔化金属因热量迅速被板吸收而首先冷却，中央和表面的熔化金属收缩如果受到阻碍，则将在焊缝内出现拉应力[3.9]。图3.10所示两块厚板的T形连接，当两板间未留缝隙而不能相对移动时，焊缝因收缩受到约束而产生的拉应力有可能促使它开裂。如果在这两板之间垫上软钢丝留出缝隙（图3.11），焊缝有收缩余地，裂纹就不会出现。如图中竖立的板为粗糙不平的火焰切割边，图3.9角焊缝的冷却和凝固图3.10角焊缝可能出现裂纹的情况

3.3防止脆性断裂·45.构件内在残余应力，其中收缩受到约束的构件中存在的反作用拉应力最为不利。除图1.22所示的对接焊缝例子外，还可以举出如图3.14所示的对接工字钢[3.11]，在两端都连于不能移动的支承时，整个截面受到残余拉应力。这种明显而突出的情况在工程实践中虽不多见，但构件收缩受到其他构件约束的情况还是有的，同时，被焊构件内部的不同部分之间也存在或多或少的约束。没有约束的构件如图1.21所示用纵焊缝把板对接的情况，在焊缝图3.14反作用残余近旁有很高的残余拉应力，有可能引发裂纹。但残应力的又一例余拉应力沿板宽度下降很快，裂纹不大会向两旁扩展。因此，对应力不仅要看它的大小，更重要的是要看应力状态。瑞士金属结构中心依照欧洲钢结构协会的有关规定提出的《钢材质量选择建议》[3.123，把焊接构件中零件应力状态分为三级，即弱应力状态、中等应力状态和强应力状态。图3.15给出了这三级的一些典型。（a）图属于弱应力状态的零件，都标以A字，（b）图属于中等应力状态的零件，都标以B字（c）图属于强应力状态的零件，都标以C字。从图可以看出：焊缝不多的岑件，受到约束比较少，属于弱应力状态：集中多条焊缝，包括有两条相互垂直焊缝的零件则属于强应力状态。除图示之外，加劲肋、隔板、支撑等次要构件都归于弱应力状态一类。图3.15（a）的第一个截面虽然在焊缝旁的残余拉应力很高（参看图1.24），但只限于局部范围，所以它的板件属于弱应力状态。由此可见，避免焊缝过于集中和避免截面突然变化，都有助于防止脆断。(b)(c)图3.15应力状态分类

·46:第三章钢结构的断裂3.3.3材料韧性为广防正断裂，结构的材料应该根据其所处条件具备一定的韧性。衡量韧性的准则，现阶段大多数来用冲击韧性试验。我国早期颁布的钢材标准采用的是梅氏U形缺口试件。但是V形缺口比U形尖锐，更接近于构件断裂的条件。因此现在很多国家都采用国际标准ISO/R148所规定的V形缺口冲击韧性试件。我国1980年制订了《金属夏比（V形缺口）冲击试验方法》的国家标准（GB2106）。此后颁行的钢材标准都规定以夏比V形缺口冲击试验作为材料韧性的判据。图3.16给出铁道部大桥工程局对15MnVNg（15锰钒氮桥）钢两种冲击试样试验结果的对比。由图可以明显看出，V形缺口试件吸收的功较少，脆性转变溫度则稍高。钢材的断裂有几种不同的表现，即可以是脆性断裂、韧性断裂或兼有脆性和韧性的断裂。脆性断裂的宏观特征是没有塑性变形，断口表面呈颗粒状，平齐而光亮，断面和拉伸应力的方向垂直；韧性断裂则有明显的宏观塑性变形，并出现颈缩现象，断口呈纤维状，其断裂机理是剪切断裂过程。有塑性变形，就要吸收较多的能量。材料断裂时吸收的能量和温度有密切关系，图3.17的曲线表明这一点。吸收的能量可以划分为三个区域，即变形是塑性的、弹塑性的和弹性的。后者属于完全脆性的断裂，也属于平面应变状态。显然，我们要求材料的韧性不低子I线，以避免出现完全脆性的断裂。然而也没有必要要求韧性高于Ⅱ线。对钢材要求200 夏比150 waryp中等加荷塑性速率静力荷载一冲击街载横向试样，梅氏夏比弹塑性50横向试样，弹性80604020020NDT温度t溢度图3.16两种试样对比图3.17断裂吸收能量随温度的变化标准分享网WWbzfxWCom免费下载

48:第三章钢结构的断裂图3.19切口载面应力分布生。是沿厚度方向的应力。薄板沿厚度方向的变形受到的约束作用小，属于平面应力状态。厚板在切口处的塑性变形要求沿厚度方向缩小，但受到附近弹性部分的约束而不能实现，接近于平面应变状态。图3.20示出材料断裂韧性K。随厚度变化的情况[3.43。薄板断裂时几乎呈完全韧性的剪切断口，厚度稍大则呈韧性和脆性混合的断口：厚板呈脆性的平断口。作为材料的韧性指标值，应取平面应变状态的断裂韧性Kc。混合断口100剪切断口过渡平断口A韧性胞性板厚度图3.20断裂韧性随厚度变化12mm和更厚的板，冲击试验的标准试样都是10mm×10mm×55mm图3.21（a）。不同厚度的板用同一截面尺寸的试样进行试验，反映不出带切口厚板处于平面应变状态的不利情况。如果一块12mm厚的板和另块40mm厚的板试验所得的冲击韧性值相同，则后者实际上的韧性要比前者为低。这是小试样冲击韧性试验的一个缺点。它的另一个缺点是难于把裂纹扩展和裂纹形成区分开来。标准分享网WWbzfxWCom免费下载

3. 3防正脆性断裂

的拉力，这是充许间隙存在的一个条件。 关丁合理的构造处理，将在10.7节论述

表3.3适用于服强度为235N/mm、275N/mm和355N/mm的钢材。当 构件承受冲击荷载作用，则材质应比表3.3查得的提高一级，但未对什么是冲击 荷载做明确规定。此法考虑的因素多，具有广泛适用性，不仅用于瑞士，也通行于 前联邦德国等国家。

康3.3确定钢材质门

4. 1. 1 疲劳荷载

第四章 疲 劳 破 损

钢结构的疲劳破损是裂纹在重复或交变荷载作用下的不断开展以及最后达 到临界尺寸而出现的断裂。 能够导致结构疲劳的荷载不仅有大家熟知的行动活荷载，如桥式吊车对吊 车梁的作用，车辆对桥梁的作用，还包括波动的压力对压力容器的作用，海浪对 海洋结构的作用等。当温度变化导致应力变化时，也会出现结构疲劳问题。剧烈 的地震使结构物反复摇摆，是造成疲劳的又一原因。不过这种疲劳破坏具有应变 大、破坏前循环次数少的特点，属于低周疲劳。它不同于行动活荷载作用下结构 应变小，破坏前循环次数多的高周疲劳。本章只论述高周疲劳问题。

4. 1.2疲劳破坏的过程

4.1影响疲劳破损的因素 59 *N2

4.2疫劳设计的准则

的循环次数增加△N1。这个增加颇为可观，原因是在裂纹尺寸很小时，扩展速率 la/dN很低。其他两种方法是降低构件所承受的应力和采用韧性较好的材料。 图中C点和E点对应于同一裂纹尺寸a2应力幅由A,降低到△2.循环次数增 加AN。在ABC曲线上，B点表示低韧性材料裂纹缓慢扩展区的中止点，C点表 示高韧性材料的中止点，由B到C，循环次数增加△N3。降低应力幅要求增大构 件截面，从而提高造价。采用高韧性材料和加强施工质基控制也都要提高造价。 如何权衡轻重做出最佳方案的快择，要求设计者具有明确的技术经济观点。 疲劳寿命可以通过某些工艺措施来提高，这将在1.1节阐述。 处在腐蚀性环境中的承受疲劳荷载的结构，应特别注意防锈问题。承受疲劳 荷载的露天结构，在有条件时宜采用1.3.4小节中谈到的耐大气腐蚀钢材

4. 2. 1 基本原则

疲劳设计时首先要明确的一个问题是对结构或个别构件的疲劳寿命如何要 求。最保险的办法自然是按寿命无限来考虑。这种做法，应力只能用得很低， 造价过高，显然是不现实的。按有限的寿命来设计，可以有不同的思路和做法。其 一是力求在结构的使用期限内不出现疲劳裂缝。要做到这一点，比较细致的做法 是先估计一个荷载谱，然后通过分析和实验找出关键构件在这一荷载谱作用下 的预期寿命，再引入安全系数以得到安全寿命。安全寿命决定使用期限，结构或 构件用到安全寿命即予报废或更换。这是飞机结构设计者采用的安全寿命法。但 是，安全系数包含的不定因素很多，如疲劳试验本身的离散性，估计的荷载谱和 实际情况的差别，以及不同环境下腐蚀作用有很大差别等。因此，必须把安全系 数取得足够大，才能使疲劳破损的可能性降得很低。另外一种思路和做法是，在 结构的某一部分出现疲劳裂缝时，保证在裂缝被发现前其他部分还能安全地承 载。这种做法称为破损安全法，意思是局部性的破损不至危及整个结构。显然， 在这种思路指导下，结构应该按3.3.4小节所论述的多路径传递来设计。同时， 对这种结构应该规定周期性检查（包括规定检查的间隔和具体检查方法），使裂 缝能及时发现并迅速得到修复。设计者应该注意结构各部分都易于检查到。对 于个别在检查时无法观察到的部位，则应通过计算来保障它不会出现疲劳损伤 当采用这种设计方法时，确定容许应力幅可以由N的平均值减去一倍标准差， 而不是像图4.12那样减去二倍标准差。实际上安全寿命法和破损安全法往往是 结合在一起的。例如，首先按安全寿命法的思路进行设计，争取在使用期限不出 现裂缝，同时也注意荷载的多路径传递和结构各部分都易于检查，在意外地出现 裂缝时仍然保证安全 土建结构的疲劳破坏不像飞机结构那样危及大量生命，可以采用使寿命

4.2疲劳设计的准则

表达的线性累积损伤准则（也叫Miner规则)[4.14来计算。式中：n：为应力幅Ag 对结构的作用次数；N.为应力幅△s.常幅作用下结构的预期寿命。 这一推则可以由式（4.3)推出。设在某一构件上先后作用有三种应力幅 A1△2、s，其循环次数分别为n1n2n3,裂纹由初始的a扩展到最后的3则 由式（4.3）可知

如果构件只承受常幅的Ao,或Aoz或Ao3,并使裂纹由a.扩展到αs,则有

用式（4.10）去除式（4.9），可得

以及n2/N和n3/N，的类似表达式。把三个式子相加,则

++ da da da 0 Nra) (αra)" a da (α Na)

da F*3 da ni g(una)" (aVra)r N.

上式成立的前提，除了断裂力学的一般假定外，还有整个疲劳寿命只包括裂纹扩 展阶段有色金属标准，此外，还认为几种不同应力幅对结构作用的先后顺序不影响疲劳寿命 实际情况和以上简化假定是有出入的。因此，变幅荷载下的疲劳试验所得 （n;/N.）往往和1.0有差别，不同应力幅作用的先后顺序也对≥（nt/N，）有 影响。但是，对于焊接构件，乙（n:/N.）常大于1，式（4.8)一般能保证安全。线 性累积损伤准则由于使用方便，现在还是最通行的方法。在具体应用这一准则 时，可以采用等效常应力幅代替变动的应力幅。 在荷载谱已知的条件下，各级△o,（如满载时的△o1，荷载达满载的80%、 50%、40%、20%时△2、△c3、、40.)的频率f都属已知，则

fn +fZn M N2 N.

程的情况。因此，近年来带有各种不同构造细节的梁疲劳试验在国内外做了 不少。 把试验室的试验成果用于结构设计，应该考虑试件和实际结构间可能存在 的差别。对于爆接的构造细节，施工质量影响很大。如果试件的加工和焊接都很 仔细而质高，实际结构达不到那样的水平，试验结果就不能恰当反映实际结构的 性能。还有一个需要考虑的因素是尺寸差别的影响。从弯曲疲劳试验的结果来 看，小尺寸试件的疲劳强度比大尺寸试件稍高。根据统计分析的观点，大尺寸的 ， 试件存在缺陷的机会要多一些，这是一个原因。另外，厚度很大的板质量也不如 中，小厚度的板。由于大量试验研究所用试件板厚不超过13～20mm，国际标准 组织的钢结构设计标准IS0/DIS10721（1995）对厚度大于25mm的材料，横向 角焊缝连接和对焊连接处的[门降低为

[A], = [4] 25/t

为材料厚度，以毫米计。 对承受疲劳荷载的构件，特别是容易开展疲劳裂纹的部位必须加强检验。检 验首先是在施工验收这一环节进行，必须按施上验收规范严格控制质量，不合格 者不能出户和交付使用。在使用期间的定期检验，也是十分重要的，前文已经有 所说明。疲劳裂缝及时发现，就能防止重大事故发生。 检验包括外观检查和无损检验。 外观检查要求仔细察看焊体周围区域和平行于焊缝的板边缘，寻找有无裂 纹和层间撕裂。检查人员要有丰富经验，并借助放大镜和照明设备进行工作，才 能发现微细裂纹。外观检查是质量控制的重要环节，表面完好往往是焊接工作做 得不错的标志。无损检验有多种方法，包括磁性颗粒法、染色液体渗透法、射线照 相检验、超声探伤等14.15。 磁性颗粒法可用以检查出金属表面裂纹或紧靠表面的内部缺陷，最适合于 壁厚不超过6.5mm的小型钢管连接，因为超声波探伤这时无用武之地。在检验 时对焊缝区施以强大磁场，并铺一层磁铁颗粒。裂纹和夹杂等缺陷切断磁力线 使粉未集中在这些区域。焊接产生的磁力性能的差异时常可以不必施加磁场而 也能用磁性颗粒来检验。由于此法简便，设备可携带，用于检查因焊缝收缩造成 的焊肉及其附近区域的表面裂纹是十分适宜的。裂纹的深度可以通过打磨绒超 声方法来测出。 染色液体渗入法是使带染料的液体渗入表面的细裂纹，然后通过显色剂，把 染料吸上来以显示裂纹轮廊。在检验时，把焊缝表面清理干净并保持下燥，然后 刷上一薄层渗入剂，待染料渗入缺陷后，把表面擦净再涂上显色剂（白垩快干 胶）。已渗入的液体这时回到金属表面和显色剂起反应，从而可以清晰地看出裂 轮廓，也可以用照相照下来。 射线照相检查是依靠电磁射线来确定焊缝是否完好。X光线和Y射线都能

4.3疲劳试验和检验+77+穿透像焊缝这样的非透明体。在焊缝背后放上敏感胶片，即可取得焊缝结构的永久记录。射线穿过焊缝材料后达到敏感胶片，产生不同反差的负片，在射线穿过气泡、夹渣或裂纹时，在这些密度小的区域透过得更多，在胶片上造成黑色区。射线照相法虽然是探查气孔和夹渣等缺陷极好的方法，但在实践中对检查某些焊缝连接不适用。原因胶片必须安置在射线源的另一侧才能记录存在的缺陷，有些连接像T形连接由于其特殊的几何形状，没有办法把胶片放在合适的地方。超声探伤从20世纪60年代以来逐渐成为焊接结构连接无损检验的最重要方法。此法利用高率声波来查找和测定母材在焊接前的缺陷和焊接连接的缺陷，它对表面裂纹和内部裂纹都很敏感。在检验时，高频率的波射过所检测的连接后折回并显示于示波器的有刻度的屏幕。此法对查找线缺陷和平面缺陷诸如未焊透、分层和裂纹十分灵敏。超声波碰到这些缺陷时就被反射回来，在示波器上有所反映。超声法能够用来检测很厚的截面内部的平面缺陷，设备能够携带，使用操作很快，并且只需要接近被测截面的一侧就行了，从面比射线照相法更受欢迎。超声检验也受到一些限制，粗糙的表面会使灵敏度和可靠度降低，它不能像射线照相法那样提供永久性记录。此外，气泡、夹渣等球状缺陷不那么容易检查出来，因为超声波到它们时会从旁边绕过而不是像遇到线性缺陷那样被反射回去。然而这一缺点并不算很严重。超声技术在实践中只限于用在板厚9.5mm以上的连接。超声法的使用效果和操作者对它的掌握和熟练程度有很大关系，这是它的一大弱点。如果没有合格的专业技术人员，有可能得出错误的判断。除重要结构拉力很大的部位外，一般不宜对整个结构都要求用无损探伤，它只宜作为对外观检查和其他控制质量办法的补充。从施工阶段来说，首要的是防患于未然，亦即对焊接程序进行监督，对焊工技术进行考核，尽量排除出现较大缺陷的条件。但质量检查还是必不可少的环节。裂纹出现有它的随机性，图4.26给出构件出厂前未经检查和经过检验的缺陷尺寸概率密度的分布[4.16]。通过检验发现较大的缺陷，可以使缺陷及时得到改正。图4.14中已经说明过，减小裂纹/检验后检验前缺尺寸图4.26检验和缺陷概率密度

建筑造价、预算、定额5. 1. 1 无孔拉杆