超低周疲劳的内涵探究

金属结构失效的原因有很多，其中主要的破坏模式之一是断裂。金属结构断裂按照断面特征主要可以分为以下几种类型，如图1-1所示的脆性断裂、延性断裂和疲劳断裂。在特殊的材料、加载历史、温度等条件下，也可能会发生延性和脆性过渡模式等。地震作用是结构工程的主要研究对象之一，上述断裂模式在地震过程中都有可能发生，在1994年的北岭地震（Mahin，1998）和1995年的神户地震（AIJ，1995）中有报道过焊接钢结构节点和构件的延性断裂和脆性断裂破坏。

图1-1　金属结构的不同断裂模式（Liu et al.，2017）(www.xing528.com)

地震作用通常伴随较大的循环塑性应变加载，且破坏（断裂）的圈数在几圈至上百圈，破坏断面经常可以看到延性的韧窝，为了区别，本书将大塑性应变幅值的地震加载历史定义为“超低周疲劳”加载。如前所述，金属试件超低周疲劳破坏的断面可能包含延性、脆性断面，也可能会包含从延性到脆性或从延性到疲劳的过渡模式等。高周疲劳一般的疲劳寿命在104次以上，材料一般处于弹性状态；而低周疲劳一般的疲劳寿命在104次以下，材料一般会发生较小的塑性。相关的疲劳寿命都是基于传统材料的经验数据，对应不同材料，其具体的临界值也会发生改变，主要的区别在于其断裂机理不同。前述的三种疲劳破坏模式的断面是不同的，在高周和低周疲劳断面中，如图1-1（a）所示的疲劳辉纹是其主要特征，对于超低周疲劳破坏，通常材料的断面会包含图1-1（b）所示的延性韧窝。

超低周疲劳断面特征和温度、材料特性、应力-应变集中以及加载历史等相关，同一个超低周疲劳断面可能既包含延性断面又包含脆性断面。在一次强震中，支撑或角柱等结构构件可能发生局部或整体失稳，构件在大塑性循环加载下可能会发生延性断裂。此时发生的超低周疲劳断裂的整个断面都可能是延性的，这主要与其材料的断裂韧性高以及应力-应变集中较小相关。

从断裂模式的角度上说，“超低周疲劳破坏”（有学者也称为“极低周疲劳破坏”）这样的术语可能有时会令人困惑，因为其破坏机理比较复杂。超低周疲劳断面可以是百分之百的延性断面，也可能是由于延性裂纹的萌生和扩展导致的部分脆性断面，抑或整个截面既有疲劳断面，又有延性和脆性断面。因此，“超低周疲劳破坏”蕴含多种断裂模式，但断面不一定会包含疲劳辉纹，其断面可以包含图1-1（b）所示的延性韧窝，也可能出现图1-1（c）所示的河流花样的典型脆性断面。