钢铁结构的安全断裂韧度的确定方法和钢铁结构设计的安全校核方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料力学性能测试技术领域，特别涉及一种钢铁结构的安全断裂韧度 的确定方法和钢铁结构设计的安全校核方法。
【背景技术】
[0002] 钢铁结构所用的材料在服役过程中由于环境、载荷的作用必然会萌生裂纹，这种 裂纹的脆性扩展会导致钢铁结构突然断裂失效，从而造成重大经济损失甚至人身伤害。因 此，钢铁结构在设计过程中必须充分考虑裂纹类缺陷的影响。
[0003] 研究表明，裂纹的脆性扩展与裂纹尖端的应力应变状态有关，而由钢铁结构所用 的材料制成的构件壁的厚度对裂纹尖端的应力应变状态会产生很大影响。当构件壁的厚度 由薄向厚转变时，裂纹尖端的应力场将逐渐由平面应力状态转向平面应变状态，裂纹尖端 常处于三向受拉状态。由于这种三向受拉状态对裂纹尖端的应变的约束性高，钢铁结构所 用的材料的塑性变形将受到限制，材料将产生"脆化"，从而导致脆性破坏的发生。当材料 厚度超过一定临界值厚度之后，材料完全处于平面应变状态，材料的断裂韧度不再随着厚 度的变化而变化，而是逐渐趋于一个恒定的较低极限值，这个极限值就是材料的平面应变 断裂韧度K :。。为了防止材料裂纹脆性扩展的发生，钢铁结构的裂纹尖端应力强度因子K : 必须小于或者等于钢铁结构的安全断裂韧度Ks，即：K1 SKs。因此，为了保证钢铁结构的安 全，必须首先确定钢铁结构的安全断裂韧度。
[0004] 现有的确定钢铁结构的安全断裂韧度&的方法包括：测量钢铁结构所用材料的平 面应变断裂韧度1。，然后根据公式Κ3=φ ·ΚΙ[; (0< Φ < 1)计算钢铁结构的安全断裂韧 度Ks，其中，Φ为安全系数，是一个设计常数。
[0005] 在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
[0006] 现有的钢铁结构的安全断裂韧度Ks的确定依赖于平面应变断裂韧度K1。。由于测 定平面应变断裂韧度时要求试样的尺寸必须满足一定的平面应变或者小应变条件，而要达 到测定要求需要很大的试样厚度。高韧性钢种的试样厚度往往达到50mm甚至IOOmm以上， 提高了对试验机吨位的要求。高吨位的试验机费用高，并且即使具备了高吨位试验机还有 可能无法制备出满足尺寸要求的试样，使材料的平面应变断裂韧度的测定无法进行，进而 导致无法确定钢铁结构的安全断裂韧度，工程实用性差。同时，测定材料的平面应变断裂韧 度的试验周期比较长，测试过程比较繁琐。此外，上述钢铁结构的安全断裂韧度的确定方法 只考虑了断裂失效模式，而未考虑强度因素控制的塑性变形失效模式，在工程应用中不够 保守。
【发明内容】
[0007] 为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种钢铁结构的安全断裂韧度的 确定方法和钢铁结构设计的安全校核方法。所述技术方案如下：
[0008] -方面，本发明实施例提供了一种钢铁结构的安全断裂韧度的确定方法，所述方 法包括：
[0009] 测试所述钢铁结构所用的材料的屈服强度〇 y和抗拉强度〇 u ;
[0010] 根据公式Li= 〇 Mf/ 〇 y计算所述钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸 时的载荷比b其中，〇 为所述钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的参 考应力；
[0011] 当所述载荷比L满足Lr彡（〇y+〇uV(2· 〇y)时，根据公式Kr=(l-0.14L/) [0. 3+0. 7eXp(-0. 65L/)]计算所述钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的安 全断裂比
[0012] 根据公式Ks=K1ZX计算所述钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时 的安全断裂韧度K s，其中，K1为所述钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的 裂纹尖端应力强度因子。
[0013] 进一步地，当所述载荷比1^满足1^>(%+(〇八2*%)时，所述安全断裂比 Kr=+ 00。
[0014] 更进一步地，当所述安全断裂比&=+ c?时，所述钢铁结构在设计工况下裂纹达到 允许的最大尺寸时的安全断裂韧度Ks=0。
[0015] 优选地，所述测试所述钢铁结构所用的材料的屈服强度〇y和抗拉强度〇u，包括 ：
[0016] 采用单轴拉伸试验测试所述钢铁结构所用的材料的屈服强度σ y和抗拉强度σ u。
[0017] 优选地，所述单轴拉伸试验采用万能材料试验机。
[0018] 可选地，所述方法还包括：确定所述钢铁结构在设计工况下允许产生的裂纹的最 大尺寸。
[0019] 另一方面，本发明实施例提供了一种钢铁结构设计的安全校核方法，所述方法包 括：
[0020] 测试所述钢铁结构所用的材料的屈服强度σ y和抗拉强度σ u ;
[0021] 根据公式σ Mf/ 〇 y计算所述钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸 时的载荷比b其中，〇 为所述钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的参 考应力；
[0022] 当所述载荷比Lr满足Lr彡（〇 y+。u)八2 ·。y)时，根据公式Kr= (1-0. 14Lr2) [0. 3+0. 7eXp(-0. 65L/)]计算所述钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的安 全断裂比
[0023] 根据公式Ks=K1Z^计算所述钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时 的安全断裂韧度K s，其中，K1为所述钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的 裂纹尖端应力强度因子；
[0024] 根据K1与Ks的大小关系判断所述钢铁结构的设计是否安全。
[0025] 进一步地，所述根据K1与Ks的大小关系判断所述钢铁结构的设计是否安全，包 括：
[0026] 当K t < Ks时，判定所述钢铁结构的设计安全；
[0027] 当KJKs时，判定所述钢铁结构的设计不安全。
[0028] 可选地，所述方法还包括：
[0029] 当判定所述钢铁结构的设计不安全时，采用降低所述钢铁结构的设计载荷、增加 所述钢铁结构的壁厚、提高所述钢铁结构所用的材料的等级的一种或多种手段，以使改变 后的所述钢铁结构的设计是安全的。
[0030] 优选地，所述钢铁结构为钢板、型钢或钢管。
[0031] 本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
[0032] 通过测试钢铁结构所用的材料的屈服强度和抗拉强度，计算钢铁结构在设计工况 下裂纹达到允许最大尺寸时的载荷比和安全断裂比，根据裂纹达到允许的最大尺寸时的裂 纹尖端应力强度因子与安全断裂比的比值来确定钢铁结构的安全断裂韧度。由于采用普通 的拉伸试样，试样容易制备，避免了测定钢铁结构所用的材料的平面应变断裂韧度的特殊 条件要求带来的费用高、试验周期比较长和无法制备满足尺寸要求的试样的问题，同时测 试钢铁结构所用的材料的屈服强度和抗拉强度确定安全断裂韧度的实现过程简单快捷，有 利于工程应用。另外，由于技术方案综合考虑了钢铁结构的断裂失效模式和塑性变形失效 模式，确定的安全断裂韧度精确可靠，在钢铁结构设计中，既可防止断裂失效，又可防止过 量塑性变形失效，从而有效地降低钢铁结构的失效概率。
【附图说明】
[0033] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他 的附图。
[0034] 图1是本发明实施例一提供的一种钢铁结构的安全断裂韧度的确定方法的流程 图；
[0035] 图2是本发明实施例二提供的一种钢铁结构的安全断裂韧度的确定方法的流程 图；
[0036] 图3是本发明实施例三提供的一种钢铁结构设计的安全校核方法的流程图；
[0037] 图4是本发明实施例四提供的一种钢铁结构设计的安全校核方法的流程图。
【具体实施方式】
[0038] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方 式作进一步地详细描述。
[0039] 实施例一
[0040] 本发明实施例提供了一种钢铁结构的安全断裂韧度的确定方法，参见图1，方法包 括：
[0041] 步骤101 :测试钢铁结构所用的材料的屈服强度σ y和抗拉强度σ u。
[0042] 具体地，可以通过单轴拉伸试验测试钢铁结构所用的材料的屈服强度〇 y和抗拉 强度〇u。
[0043] 进一步地，可以采用万能材料试验机来测试钢铁结构所用的材料的屈服强度和抗 拉强度。
[0044] 其中，钢铁结构可以是钢板、型钢或钢管等。
[0045] 步骤102 :根据公式。Mf/ 〇 y计算钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大 尺寸时的载荷比L。
[0046] 其中，〇 为钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的参考应力。
[0047] 步骤103 :当载荷比Lr满足Lr彡（〇y+〇uV(2· 〇y)时，根据公式Kr= (1-0. 14L/) [0. 3+0. 7eXp(-0. 65L/)]计算钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的安全断 裂比Kjr。
[0048] 其中，exp表示以自然常数e为底的指数函数。
[0049] 步骤104 :根据公式Ks=K1Z^计算钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺 寸时的安全断裂