承重结构为三个立体钢框架，屋盖钢桁架悬挂在立体框架梁上，每个悬挂吊点用四个A490 高
强螺栓连接。1979 年 6 月 4 日晚，屋盖中心发生坍塌，倒塌原因是高强螺栓在长期风载荷作用
下发生疲劳破坏；中国深圳国际展览中心，该展览中心由展厅、会议中心和一幢 16 层酒店组
成，展厅 7200m2，为螺栓球节点网架结构，1989 年 5 月建成，1992 年 9 月 24 日展厅发生倒塌；
变研究疲劳寿命，提出了Neuber法则。基础上，提
出了表达裂纹扩展规律的Paris公式，给疲劳研究提供了一个估算裂纹扩展寿命的新方法。70 年
代，Lemaitre用连续介质力学与热力学的观点研究了损伤对金属材料的弹性、塑性的影响，随
后，瑞典的Hult、英国的Leckie研究了损伤和蠕变的耦合作用。1971 年，R.M.Wetzel在Manson
分布的缺陷（钢材的先天性缺陷、钢构件的加工制作缺陷、钢结构的连接缺陷、钢结 构运输、安装和使用维护中的缺陷等）以及外部因素的影响（载荷的强度、载荷的变异性、
载荷的持续时间和气象天气等因素），钢结构事故屡有发生。
图 1.1 宜宾市南门大桥损伤破坏
图 1.2 戴高乐机场 2E 候机厅事故现场
翻开钢结构的“事故史”，一组组数字触目惊心：美国肯帕体育馆，该体育馆建于 1947 年，
方面揭示出钢结构断裂行为的物理力学本质。E.Orowan于 1945 年借助 X －射线照相技术证明：
发生脆性断裂的钢材表面上有广泛的塑性变形存在。1958 年Kachanov提出了用连续变量描述材
料受损的连续性能变化过程。1959 年美国材料试验学会（ASTM）成立高强度金属材料断裂试
验特别委员会专门从事组织金属材料断裂韧性的试验研究。1961 年，Neuber开始用局部应力应
a0
裂纹形成
acr
裂纹扩展
裂纹长度 a
图 1.6 二维累积损伤寿命模型
结构或材料从受载开始到裂纹达到某一给定的裂纹长度 a0 为止的循环次数称为裂纹扩展
寿命；从疲劳寿命预测的角度看，这一给定的裂纹长度与预测所采用的寿命性能曲线有关。多 维模型将小裂纹阶段细分为三个阶段：微观小裂纹，物理小裂纹和结构小裂纹（图 1.7），其中：
累积，连接处发生突发性断裂，从而导致候机厅顶棚坍塌事故。钢结构的事故不仅造成大量的
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人员伤亡，又给社会带来巨大的经济损失。
图 1.3 路桥累积损伤
图 1.4 彩虹桥断裂后现场
§1.2 累积损伤和疲劳失效
1.2.1 损伤及疲劳失效研究发展背景
对疲劳现象首先进行系统研究的实验者是德国人A.Wöhler。他自 1847 年起对金属疲劳进
§1.1 钢结构工程应用及事故
随着我国经济的迅速发展、人们生活水平的提高和现代城市的发展，钢结构建造物的数量 越来越多。钢结构作为一种承重结构，由于其塑性及韧性好、抗震性能优越、自重轻、工业装 备化程度高、综合经济效益显著、造型美观以及符合绿色建筑等众多优点，被广泛应用于土木、 交通、水利和矿山等工程领域中。但是，由于钢结构材料的不均匀性以及其内部存在大量随机
证的疲劳试验时，发现了在循环载荷下弹性极限降低的循环软化现象。1920 年，A.A.Griffith
发表了关于研究断裂的理论计算和实验结果。1929 年，美国人R.E.Peterson对尺寸效应进行了
一系列试验，并提出了应力集中系数的理论值。1929～1930 年，英国人B.P.Haigh对高强度钢和
1999 年 1 月，连接綦江县城东西城区的人行跨江大桥—彩虹桥整体坍塌；2001 年 11 月 7 日，
四川宜宾市“亚洲第一拱”南门大桥，发生悬索及桥面断裂事故；2004 年 5 月 23 日巴黎戴高
乐机场 2E候机厅发生坍塌事故。法国交通部发表调查报告称，由于 2E候机厅顶棚与圆形钢结
构支柱连接处存在初始裂纹，在各种外在的因素作用下，初始裂纹向临界裂纹发展，受损不断
损伤区
瞬断区
损伤源
图 1.5 损伤扩展及其断口分区 损伤区记载了裂缝扩展和闭合的过程，颜色发暗，表面有较清楚的损伤纹理，呈沙滩状或 波纹状。瞬断区真实反映了当钢结构构件截面因裂纹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。 从疲劳损伤发展过程看，有二维疲劳寿命模型和多维疲劳寿命模型。二维模型将疲劳寿命 分为裂纹形成和裂纹扩展（图 1.6）
表 1.1 影响钢结构累积损伤寿命主要因素
钢结构材料情况
钢结构工作条件
随机内部缺陷分布
外部环境
随机内部缺陷种类
腐蚀和应力腐蚀
金相组织情况
服役条件
钢结构材料延性
循环特性
化学构成成分
高载效应
纤维方向
载荷频率
钢结构状态
尺寸效应 残余应力应变 表面粗糙情况
缺口效应
-4-
(a)
2
1
(b)
(c)
(d)
1
1
2
2
2
1
(e)
(f)
1
2
3
2
31
(g)
2
1
3
(h)
1 23
图 1.8 P.Newman 模型 这时互相接触的滑移面是分离面，已不是一个整体，这就是裂纹的起始。这些裂纹面的接 触也导致应力集中的减缓。在下一个拉伸行程，形成如图 1.8（e）所示的情况，与平面 1 平行 的平面 3 被激活。在接着的压缩行程中，如图 1.8（g）所示的滑移面起作用，而形成图 1.8（h） 所示的裂纹状态。上述过程的连续重复，导致进一步的裂纹扩展。
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apl 为塑性驻留区形成尺寸，amsl 为微观结构小裂纹尺寸，apsl 为物理小裂纹尺寸，al 为线弹性
断裂力学可应用的最小裂纹长度。上述模型中各阶段疲劳寿命之和为疲劳全寿命。
apl
amsl
apsl
al
无裂纹 微观小裂纹 物理小裂纹 结构小裂纹
acr
大裂纹
裂纹长度 a
小裂纹
图 1.7 二维累积损伤寿命模型 P.Newman 模型包括裂纹的形成和扩展，它是根据两个滑移平面系统的交变滑移和硬化组 合而成，如图 1.8 所示。循环中由平面 1 的粗滑移形成的滑移台阶是局部应力集中区，见图 1.8 （a）。如果该应力集中足够大，循环的拉伸行程会激活平面 2 中的滑移，平面 2 几乎垂直于平 面 1，见图 1.8（b），在压缩行程中，先是平面 1，后是平面 2 起作用，形成图 1.8（d）的情况。
损伤是一个十分复杂的过程，从微观到宏观，损伤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，对损伤影响却非常显著，如结构构件的缺陷、应力集中等。 各国学者普遍认为，影响钢结构损伤破坏的因素有应力幅、构造细节和循环次数。就损伤破坏 断口而言，一般分为损伤区和瞬断区（见图 1.5）。
软钢的不同疲劳缺口效应作了合理的解释，在解释疲劳缺口效应时，使用了缺口应变分析和内
应力的概念。自 1944 年C.Zener与T.H.Hollomon第一次把A.A.Griffith裂纹传播理论与金属材料
的脆性断裂联系起来。各国学者在钢结构断裂时的裂纹尖端应力状态与强度特性、裂纹扩展机
理、弹塑性过程区、V型缺口效应、起裂准则和断裂后期效应等方面开展了广泛的研究，从多
行了深入系统的研究并在 1871 年发表的论文中，系统论述了疲劳寿命与循环应力的关系，提
出了S－N曲线和疲劳极限的概念，确定了应力幅是疲劳破坏的决定因素，奠定了金属疲劳的基
础。18 世纪 70 年代到 90 年代，W.Gerber研究了水平应力对疲劳强度的影响，提出了Gerber抛
物线方程。英国人Goodman提出了著名的简化曲线——Goodman图。1884 年J.Bauschinger在验
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－Coffin方程的基础上，提出了根据应力－应变分析的局部应力应变分析法。1980 年我国国家 标准局批准了《利用JR阻力曲线确定金属材料延性断裂韧度的试验方法》（GB－2038－80）作 为国家的测试标准。我国学者郑宏、宋振森、顾强、陈惟珍、董宝、陈荣毅等人在钢结构疲劳 损伤和损伤累积方面都做了一定的研究工作，在 2002 年沈祖炎和沈苏提出的高层钢结构考虑 损伤累积及裂纹效应的滞回模型分析方法亦有广泛的工程应用前景。 1.2.2 累积损伤和剩余寿命