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[分享]钢构工程事故案例分析—疲劳破坏事故
一、疲劳破坏的概念
疲劳问题最初是在1829年由法国采矿工程师尔倍特(W。A。J。Albert)根据他所做的铁链的重复载荷试验所提出的。1839年柏克莱特( Poncelet)首先采用“疲劳”(Fatigue)一词来描述“在反复施加的载荷作用下的结构破坏现象”，但是以”疲劳”一词作为题目的第一篇论文是由布雷思韦特(Braithwaite)于1854年在伦敦土木工程年会上发表的。在第二次世界大战中，发生了多起飞机疲劳失事事故，人们从一系列的灾难性事故中，逐渐认识到疲劳破坏的严重性。
金属结构的疲劳是工程界早已关注的问题。就金属结构而言，包括飞机，车辆等各类结构都在内，大约百分之八十的破坏事故和疲劳有关。其中土建钢结构所占的比重虽然不大，但随着焊接结构的发展，焊接吊车梁的疲劳问题已十分普遍，受到了工程界人士的重视。目前，《钢结构设计规范》中已建立了疲劳验算方法，此方法对防止疲劳破坏的发生有重要作用。
F-15C 80-0034空中解体示意图
钢结构的疲劳破坏是指钢材或构件在反复交变荷载作用下在应力远低于抗拉极限强度甚至屈服点的情况下发生的一种破坏。就断裂力学的观点而言，疲劳破坏是从裂纹起始，扩展到最终断裂的过程。
疲劳破坏与静力强度破坏是截然不同的两个概念。它与塑性破坏和脆性破坏相比具有以下特点：
- 疲劳破坏是钢结构在反复交变动载作用下的破坏形式，而塑性破坏和脆性破坏是钢结构在静载作用下的破坏形式。
- 疲劳破坏虽然具有脆性破坏特征，但不完全相同。疲劳破坏经历了裂缠起始、扩展和断裂的漫长过程，而脆性破坏往往是无任何先兆的情况下瞬间突然发生。
- 就疲劳破坏断口来说，一般分为疲劳区和瞬断区(图1)。疲劳区记载了裂缝扩展和闭合的过程，颜色发暗，表面有较淸楚的疲劳纹理，呈沙滩状或波纹状。瞬断区真实反映了当构件截面因裂缝扩展削弱到一临界尺寸时脆性断裂的特点，瞬断区晶粒粗亮。
二、疲劳破坏的影响因素分析
疲劳是一个十分复杂的过程，从微观到宏观，疲劳破坏受到众多因素的影响，尤其是对材料和构件静力强度影响很小的因素，对疲劳影响却非常显著，例如构件的表面缺陷，应力集中等。
自1972年里海大学J·W·Fisher提出疲劳设计新概念至令，各国普遍公认，影响钢结构疲劳破坏的主要因素是应力幅，构造细节和循环次数，而与钢材的静力强度和最大应力无明显关系，该观点尤其对焊接钢结构更具有正确性。
应力集中对钢结构的疲劳性能影响显著，而构造细节是应力集中产生的根源。构造细节常见的不利因素：
- 钢材的内部缺陷，如偏析、夹渣、分层、裂纹等；
- 制作过程中剪切、冲孔、切割；
- 焊接结构中产生的残余应力；
- 焊接缺陷的存在，如：气孔、夹渣、咬肉、未焊透等；
- 非焊接结构的孔洞、刻槽等；
- 构件的截面突变；
- 结构由于安装、温度应力、不均匀沉降等产生的附加应力集中。
构件细节对疲劳强度的影响，《钢结构设计规范》中把构造和连接形式按应力集中的影响程度由低到高分为8类。第一类为基本无应力集中影响的无连接处的主体金属，第八类则为应力集中最严重的角焊缝。
三、提高和改善疲劳性能的措施
由疲劳性能的三个影响因素来看，应力幅及循环次数是客观存在的事实，因此，提高和改善疲劳性能的途径只有从减小应力集中入于。具体措施如下：
- 精心选材。对用于动载作用的钢结构或构件，应严格控制钢材的缺陷，并选择优质钢材。
- 精心设计。力求减少截面突变，避免焊缝集中，使钢结构构造做法合理化。
- 精心制作。使缺陷、残余应力等减小到最低程度。
- 精心施工。避免附加应力集中的影响。
- 精心使用。避免对结构的局部损害，如划痕、开孔、撞击等。
- 修补焊缝。目的是缓解缺陷产生的应力集中，方法如下：
①对于对接焊缝，磨去焊缝表面部分，如对接焊缝的余高。如果焊缝内部无显著缺陷，疲劳强度可提高到和母材相同。
②对于角焊缝，应打磨焊趾。焊缝的趾部时常存在咬肉(咬边)等切口，且有焊渣侵入。因此，要得到较好的效果，必须像下图所示B缝那样，不仅磨去切口，还要将板磨去0。5mm，以除去侵入的焊渣。这种做法虽然使钢板截面稍有削弱，但影响并不大。如果像下图中A缝那样磨去部分焊缝，就得不到改善的效果。图2所示为横向角焊缝，对于纵向角焊缝，则可打磨它的端部，使截面变化趋于缓和，打磨后的表面不应由明显刻痕。
③对于角焊缝的趾部，用气体保护钨弧重新熔化，可以起到消除切口的作用。此方法在不同应力幅的情况下疲劳寿命都能同样提高。
④在焊缝及附近金属表层采用喷射金属丸粒或锤击等方法引入残余压应力，是改善疲劳性能的一个有效方法。残余压应力和锤击造成的冷工硬化均会使疲劳强度提高。同时尖锐切口也被缓减。
依靠精心的选材、设计、制作、安装和使用，再加上焊接之后的一些特殊工艺措施，可以达到提高和改善疲劳性能的作用。
四、疲劳设计准则
根据结构和构件的重要性，目前国际上有以下四种疲劳设计准则。
1、无限寿命设计
这是一种最保险的方法。采用此准则设计的许用应力必须低于疲劳极限。因应力低，造价过高，往往不现实。
2、有限寿命设计
有限寿命设计也称为安全寿命设计。安全寿命设计准则要求零部件或结构在给定的使用周期内不能产生任何疲劳裂纹。为满足此要求，必须准确掌握整个使用寿命期间可能承受的载荷;然后通过分析和实验找出关键物件在这一荷载谱作用下的预期寿命，再引入安全系数以达到安全寿命。安全寿命决定使用期限，结构和构件用到安全寿命即予报废或更换。但事实上，我们很难预测使用期间所有的载荷条件，且疲劳实验结果又有很大的离散性。因此，安全系数确定中有许多不定因素，只有取的足够人，才能使劳破坏的可能性降到很低。
3、破损—安全设计
破损—安全设计准则首先是在航空工程中发展起来的。它认为裂纹可以出现，但在整个裂纹被检测和进行修理前，所出现的裂纹不会导致整个结构的破坏。这就要求定期检查和维修，以便及时发现裂纹，同时要求裂纹扩张速度较慢。此外，希望所设计的结构能够进行载荷多路径传递转移，即将结构某一环节破坏后(特别是超静定结构)，载荷能够被转移并重新分布。在此说明一点，釆用此类设计方法时，确定容许应力幅可以减去一倍标准差，而不是常规的两倍标准差。
4、损伤—容限设计
损伤—容限设计准则是破损—安全设计的改进，此法首先是假定裂纹预先存在，再用断裂力学的分析和试验方法判断裂纹足否扩展到临界尺寸，以致造成破坏。此准则适用于裂纹扩展较慢并有高断裂韧性的材料。
以上述四种设计准则都有各自的优缺及适用范围。在建筑钢结构的疲劳设计中，以安全寿命设计法与破损—安全设计相结合更为合理。
工程及事故概况
美国肯帕体育馆建于1974年，承重结构为三个立体钢框架，屋盖钢所架悬挂在立体框架梁上，每个悬挂节点用4个A490高强螺栓连接。1979年6月4日晚。高强螺栓断裂，屋盖中心部分突然塌落。
事故原因
悬挂节点按静载条件设计，设计恒载1.27N/㎡，活载1。22N/㎡，每个螺栓设计受荷238.1kN，而每个螺栓的设计承载力为362.8kN，破坏荷载为725.6kN。按照屋面发生破坏时的荷载，每个蜾栓实际受力136~18IkN。因此，在静载条件下，高强螺栓不会发生破坏。
在风荷载作用下，屋盖桁架与立体框架梁间产生相对移动，使吊管式悬挂节点连接中产生弯矩，从而使高强螺栓承受了反复荷载。而高强螺栓受拉强度仅为其初始最大承载力的20%，对A490高强螺栓在松紧五次后，其强度仅为原有承载力的1/3。另外，螺栓在安装时没拧紧，连接件中各钢板没有紧密接触。
综上分析该体育馆倒塌的主要原因为：高强螺栓在风荷载作用下，塑料垫层的徐变使螺栓预拉力受到损失，从而加剧了螺栓的疲劳破坏。
处理方法
体育馆主要承重结构立体框架完好、正常。由于屋顶悬挂设计成吊管连接不适宜，因此，屋顶应重新设计，更换所有的吊管连接件。
事故教训
设计人员常常忽视将风荷载看成动荷载。这一事故告诫我们，螺栓作为纯拉构件，并且这些螺栓只承受由风载产生的动荷载就必须严肃考虑螺栓可能存在的疲劳。
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