中國鋼結構疲勞研究領域的30年進展

魏賓賓

摘 要：鋼結構由于其性能的獨特性，被廣泛應用在各行各業中。但是，由于各種隨機循環載荷的作用下，經常發生鋼結構疲勞疲勞破壞，其所具有的突發性和破壞性，都對生產生活帶來嚴重的影響和損失，因此，鋼結構疲勞破壞一直都是國內外相關學術界重點關注的問題。本文將通過我國30年來對鋼結構疲勞領域的探索研究以及發展進行總結，對鋼結構疲勞破壞涉及到的一些問題進行分析和建議。

關鍵詞：鋼結構，疲勞，研究進展

在現有的各類材料，構建及結構中，疲勞破壞是最常見的一種破壞形式，涉及領域廣，在土木工程、鐵路、航空都有相關的疲勞破壞事故的發生。根據不完全統計，鋼結構的破壞中50%～90%都屬于疲勞破壞。因此，我國30年來一直注重加大對疲勞問題的理論和試驗研究的力度，預防疲勞破壞的產生，保障了國家經濟和人民的生命安全。

1.鋼結構疲勞

1.1鋼結構疲勞的定義

鋼結構疲勞破壞是指在連續反復循環的荷載作用下，應力低于抗拉強度甚至低于屈服強度時便發生脆性斷裂的現象。一般來講，疲勞強度與反復荷載引起的應力的種類、循環形式、循環次數、集中程度和殘余應力等有關。

1.2鋼結構疲勞破壞的過程

一般來說，疲勞破壞其過程依次經歷裂紋形成，裂紋緩慢擴張及迅速斷裂三個階段。實際上，對于鋼結構來說，疲勞破壞過程只有后面兩個階段。由于鋼材生產和結構制造過程中，無法避免在結構某些部位造成微小缺陷，如化學成分偏析、非金屬雜質，非焊接構建表面的刻痕、焊接雜質侵入的焊縫，焊縫內存在的氣孔等，都是產生裂紋的主要原因。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”。這些部位一般會隨著應力循環次數的增加，以同心圓的形式從表面向內部深入。當遇到難以承受的荷載應力時，偶爾的震動或是沖擊都會發生鋼結構突然斷裂。

1.3疲勞破壞的特點

疲勞破壞不同于靜荷載作用下的破壞，主要表現為以下幾點特點：

（1）破壞時的最大應力值低于靜荷載時材料的極限強度，甚至低于屈服極限。

（2）疲勞破壞部位一般位于應力高度集中的部位的截面，并非最大應力的截面。

（3）沒有明顯的塑性變形和明顯預兆，突發性極強，因而引發嚴重事故，造成巨大損失和傷亡。

（4）斷口處分為拓展區和拉斷區兩個區域。拉斷區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

影響鋼結構疲勞破壞的主要因素主要有盈利循環次數，應力比R，應力幅，剛才抗疲勞性能，應力相對集中以及加工制作時的缺陷等幾方面。不同的構件及其連接產生疲勞破壞的應力循環次數各不相同。應力幅越大，循環次數相應的越少，反之越多。應力幅小于一定數值時，應力無限多次循環也不至于產生疲勞破壞。焊接結構的焊縫由于操作原因容易產生缺陷，一般是產生裂源的主要部位，一些數值高達鋼材屈服點的殘余拉應力經常存在于這些部位，實際應力被改變，影響著應力幅。同時，應力高度集中，使剛才在塑性變形過程中出現困難而容易產生斷裂。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

想要提高結構的疲勞壽命，要在設計構造的初期進行控制，要考慮到結構使用過程中受到的各種情況，進行科學有效的設計，盡量使結構的尺寸由靜力進行計算。同時，保證施工質量，減少初始裂紋的尺寸，在原材料的選擇上，進行把關，檢測部門對原材料的質量進行嚴格把控，選擇韌性較好的材料。同時降低結構所承受的應力幅，以此提高結構的疲勞壽命。

3鋼結構疲勞的研究趨向及熱點問題

通過廣大科研工作者三十年來在鋼結構疲勞領域的不斷探索和大量實驗研究，我國在鋼結構疲勞領域取得了巨大的研究成果，推動該領域長足快速的發展。然而，不應該忽視和忘記的是，相比于國外的科研水平，仍有巨大差距。目前國內情況，都是注重理論研究，對于實質上的疲勞試驗不夠重視，另外，注重疲勞強度和疲勞壽命的研究，不重視疲勞載荷這一問題。在GB 50017—2003《鋼結構設計規范》中，從1974～2003整整30年的所有修訂內容，有關鋼結構疲勞的規范無重大變化，致使行業所依據的規范陳舊，單一，早已經不能滿足當今社會對格結構發展大跨越的需求。“允許應力設計法”至今仍在沿用，相比極限狀態設計法差距甚遠，所涉及到的相應理論技術都十分落后。另外，由于疲勞試驗勞心費財，研究難度大，周期長，不容易出結果，科研經費又不足，在經濟效益占據主導地位的當今社會，許多科研學者望而卻步，導致研究無法繼續深入。因此，面對目前存在的問題，并就今后鋼結構疲勞的研究趨向，提出以下幾點建議和意見。

（ 1）由于鋼結構的疲勞破壞危害極大，事故發生時造成的損失十分嚴重，因此，需要國家和各級相關部門高度重視，對于鋼結構疲勞破壞領域的研究給予大力扶持和經費的投入。

（ 2） 對于研究方向進行適當調整。疲勞載荷譜的研究是建立以可靠度和概率論為基礎的極限狀態設計法的前提，因此，在研究方向上，應將重心從載荷譜的理論研究轉向載荷譜的大量調查及現場實測方向。

（ 3） 要堅持以疲勞試驗作為疲勞性能研究的基礎，同時，要加強疲勞影響因素和疲勞破壞機理的研究，對常幅疲勞試驗與變幅疲勞試驗的結合，開展疲勞試驗的計算機仿真研究都應提高重視。嘗試多學科聯合攻關以及綜合應用聯合手段，注重材料，構件，節點連接方面的疲勞試驗把控，并與結構的整體模型試驗相結合。努力做到在最少的試驗次數中獲取最多的數據信息。

（ 4） 加快對GB 50017—2003《鋼結構設計規范》中相應的疲勞條文修訂及更新，保證個行業在工作成產中對鋼結構疲勞有一定的規范依據。在規范修訂時，應當遵循“科學、嚴禁、及時”的指導思想。修訂內容建議以通過成熟的研究成果擴充疲勞連接構造的八個類別以及實現“允許應力設計法”向“極限狀態設計法”轉變的疲勞計算方式這兩方面，同時對疲勞壽命的估算方法進行補充。

總結：在鋼結構建造應用愈來愈廣泛的今天，對于鋼結構疲勞的研究更加重要與緊迫。三十年的時間里，我國對于鋼結構疲勞領域的探索及研究有了很大的進步并取得了豐碩的研究成果，但同時仍然存在許許多多的問題，需要科研工作者加大對鋼結構疲勞的研究。

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