魏宾宾

摘 要：钢结构由于其性能的独特性，被广泛应用在各行各业中。但是，由于各种随机循环载荷的作用下，经常发生钢结构疲劳疲劳破坏，其所具有的突发性和破坏性，都对生产生活带来严重的影响和损失，因此，钢结构疲劳破坏一直都是国内外相关学术界重点关注的问题。本文将通过我国30年来对钢结构疲劳领域的探索研究以及发展进行总结，对钢结构疲劳破坏涉及到的一些问题进行分析和建议。

关键词：钢结构，疲劳，研究进展

在现有的各类材料，构建及结构中，疲劳破坏是最常见的一种破坏形式，涉及领域广，在土木工程、铁路、航空都有相关的疲劳破坏事故的发生。根据不完全统计，钢结构的破坏中50%～90%都属于疲劳破坏。因此，我国30年来一直注重加大对疲劳问题的理论和试验研究的力度，预防疲劳破坏的产生，保障了国家经济和人民的生命安全。

1.钢结构疲劳

1.1钢结构疲劳的定义

钢结构疲劳破坏是指在连续反复循环的荷载作用下，应力低于抗拉强度甚至低于屈服强度时便发生脆性断裂的现象。一般来讲，疲劳强度与反复荷载引起的应力的种类、循环形式、循环次数、集中程度和残余应力等有关。

1.2钢结构疲劳破坏的过程

一般来说，疲劳破坏其过程依次经历裂纹形成，裂纹缓慢扩张及迅速断裂三个阶段。实际上，对于钢结构来说，疲劳破坏过程只有后面两个阶段。由于钢材生产和结构制造过程中，无法避免在结构某些部位造成微小缺陷，如化学成分偏析、非金属杂质，非焊接构建表面的刻痕、焊接杂质侵入的焊缝，焊缝内存在的气孔等，都是产生裂纹的主要原因。这些缺陷本身就有着类似于微裂纹的作用，又被称为“类裂纹”。这些部位一般会随着应力循环次数的增加，以同心圆的形式从表面向内部深入。当遇到难以承受的荷载应力时，偶尔的震动或是冲击都会发生钢结构突然断裂。

1.3疲劳破坏的特点

疲劳破坏不同于静荷载作用下的破坏，主要表现为以下几点特点：

（1）破坏时的最大应力值低于静荷载时材料的极限强度，甚至低于屈服极限。

（2）疲劳破坏部位一般位于应力高度集中的部位的截面，并非最大应力的截面。

（3）没有明显的塑性变形和明显预兆，突发性极强，因而引发严重事故，造成巨大损失和伤亡。

（4）断口处分为拓展区和拉断区两个区域。拉断区一般为脆性颗粒状断口或带有一定韧性的断口。

1.4影响疲劳破坏的主要因素

影响钢结构疲劳破坏的主要因素主要有盈利循环次数，应力比R，应力幅，刚才抗疲劳性能，应力相对集中以及加工制作時的缺陷等几方面。不同的构件及其连接产生疲劳破坏的应力循环次数各不相同。应力幅越大，循环次数相应的越少，反之越多。应力幅小于一定数值时，应力无限多次循环也不至于产生疲劳破坏。焊接结构的焊缝由于操作原因容易产生缺陷，一般是产生裂源的主要部位，一些数值高达钢材屈服点的残余拉应力经常存在于这些部位，实际应力被改变，影响着应力幅。同时，应力高度集中，使刚才在塑性变形过程中出现困难而容易产生断裂。另外，钢材的本身性能也影响着抗疲劳性能。

2提高疲劳寿命的方法

想要提高结构的疲劳寿命，要在设计构造的初期进行控制，要考虑到结构使用过程中受到的各种情况，进行科学有效的设计，尽量使结构的尺寸由静力进行计算。同时，保证施工质量，减少初始裂纹的尺寸，在原材料的选择上，进行把关，检测部门对原材料的质量进行严格把控，选择韧性较好的材料。同时降低结构所承受的应力幅，以此提高结构的疲劳寿命。

3钢结构疲劳的研究趋向及热点问题

通过广大科研工作者三十年来在钢结构疲劳领域的不断探索和大量实验研究，我国在钢结构疲劳领域取得了巨大的研究成果，推动该领域长足快速的发展。然而，不应该忽视和忘记的是，相比于国外的科研水平，仍有巨大差距。目前国内情况，都是注重理论研究，对于实质上的疲劳试验不够重视，另外，注重疲劳强度和疲劳寿命的研究，不重视疲劳载荷这一问题。在GB 50017—2003《钢结构设计规范》中，从1974～2003整整30年的所有修订内容，有关钢结构疲劳的规范无重大变化，致使行业所依据的规范陈旧，单一，早已经不能满足当今社会对格结构发展大跨越的需求。“允许应力设计法”至今仍在沿用，相比极限状态设计法差距甚远，所涉及到的相应理论技术都十分落后。另外，由于疲劳试验劳心费财，研究难度大，周期长，不容易出结果，科研经费又不足，在经济效益占据主导地位的当今社会，许多科研学者望而却步，导致研究无法继续深入。因此，面对目前存在的问题，并就今后钢结构疲劳的研究趋向，提出以下几点建议和意见。

（ 1）由于钢结构的疲劳破坏危害极大，事故发生时造成的损失十分严重，因此，需要国家和各级相关部门高度重视，对于钢结构疲劳破坏领域的研究给予大力扶持和经费的投入。

（ 2） 对于研究方向进行适当调整。疲劳载荷谱的研究是建立以可靠度和概率论为基础的极限状态设计法的前提，因此，在研究方向上，应将重心从载荷谱的理论研究转向载荷谱的大量调查及现场实测方向。

（ 3） 要坚持以疲劳试验作为疲劳性能研究的基础，同时，要加强疲劳影响因素和疲劳破坏机理的研究，对常幅疲劳试验与变幅疲劳试验的结合，开展疲劳试验的计算机仿真研究都应提高重视。尝试多学科联合攻关以及综合应用联合手段，注重材料，构件，节点连接方面的疲劳试验把控，并与结构的整体模型试验相结合。努力做到在最少的试验次数中获取最多的数据信息。

（ 4） 加快对GB 50017—2003《钢结构设计规范》中相应的疲劳条文修订及更新，保证个行业在工作成产中对钢结构疲劳有一定的规范依据。在规范修订时，应当遵循“科学、严禁、及时”的指导思想。修订内容建议以通过成熟的研究成果扩充疲劳连接构造的八个类别以及实现“允许应力设计法”向“极限状态设计法”转变的疲劳计算方式这两方面，同时对疲劳寿命的估算方法进行补充。

总结：在钢结构建造应用愈来愈广泛的今天，对于钢结构疲劳的研究更加重要与紧迫。三十年的时间里，我国对于钢结构疲劳领域的探索及研究有了很大的进步并取得了丰硕的研究成果，但同时仍然存在许许多多的问题，需要科研工作者加大对钢结构疲劳的研究。

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