疲勞計算與吊車梁設(shè)計課件

第十章疲勞計算和吊車梁設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)--原理與設(shè)計10.5.鋼材的疲勞10.5.1疲勞破壞的特征定義：鋼材在循環(huán)荷載作用下，經(jīng)歷一定時間的損傷積累，構(gòu)件和連接部位出現(xiàn)裂紋，直到最后斷裂破壞。稱為疲勞破壞。破壞特點：（1）疲勞破壞時的應(yīng)力小于鋼材的屈服強度，鋼材的塑性還沒有展開，屬于脆性破壞。危險性大。（3）疲勞對缺陷十分敏感。

（2）疲勞破壞的斷口與一般脆性破壞的斷口不同。一般脆性破壞后的斷口平直，呈有光澤的晶粒狀或人字紋。而疲勞破壞的主要斷口特征是放射和年輪狀花紋。2023/3/30疲勞破壞的實例2023/3/30疲勞荷載類型常幅循環(huán)應(yīng)力σt變幅應(yīng)力應(yīng)力比（）拉應(yīng)力取正號而壓應(yīng)力取負號應(yīng)力幅（）

應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（n，疲勞壽命）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞時所經(jīng)歷的應(yīng)力變化次數(shù)。2023/3/3010.5.2常幅疲勞——當應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅保持常量時，稱為常幅疲勞。

1.非焊接結(jié)構(gòu)的疲勞大量試驗研究表明，疲勞強度除于主體金屬和連接類型有關(guān)外，還與循環(huán)應(yīng)力比r和循環(huán)次數(shù)n有關(guān)。當以n=2×106為疲勞壽命時，我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》給出了驗算以拉應(yīng)力為主的疲勞計算公式（10.5.1）（10.5.2）2023/3/302.焊接結(jié)構(gòu)的疲勞通過大量試驗研究表明，控制焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命最主要的因素是構(gòu)件和連接的類型、應(yīng)力幅Ds以及循環(huán)次數(shù)n，而與應(yīng)力比無關(guān)。焊縫部位存在殘余拉應(yīng)力，通常達到鋼材的屈服點fy

，該處是產(chǎn)生和發(fā)展疲勞裂紋最敏感的區(qū)域。最大：最小：真實應(yīng)力比：殘余應(yīng)力的分布焊縫附近真實應(yīng)力比的大小取決于應(yīng)力幅Ds的大小2023/3/30

（2）考慮到試驗的離散性，取平均值減去兩倍lgn的標準差（2s）作為疲勞強度的下限值，圖中藍色虛線所示。該虛線上的應(yīng)力幅定義為對應(yīng)于某疲勞壽命的容許應(yīng)力幅。（3）如果lgn符合正態(tài)分布，則構(gòu)件或連接的疲勞強度的保證率為97.7％。(4）容許應(yīng)力幅的表達式[Ds]可通過兩個相似三角形求出。則得到容許應(yīng)力幅的表達式為：SS0............b11

(5)式中：系數(shù)、C根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范-疲勞計算的構(gòu)件和連接分類》查表2.5.1得到。（分類見教材P407附錄7）(6)容許應(yīng)力幅與鋼材的強度無關(guān)，這表明不同種類的鋼材具有相同的抗疲勞性能。（1）應(yīng)力幅－循環(huán)次數(shù)（紅色實線所示）關(guān)系曲線為試驗回歸曲線，反應(yīng)了平均值之間的關(guān)系。2023/3/303.常幅疲勞驗算

疲勞容許應(yīng)力幅[]與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系曲線11＝4＝3[](N/mm2)（對數(shù)尺）n（對數(shù)尺）規(guī)范將不同構(gòu)造和受力特點的鋼構(gòu)件和連接，按其疲勞性能的高低歸并劃分為8個疲勞計算類別，并對每個類別規(guī)定了相應(yīng)的參數(shù)取值。2023/3/30表10.5.1參數(shù)Ｃ和b的取值構(gòu)件和連接類別12345678Ｃ1940×1012861×10123.26×10122.18×10121.47×10120.96×10120.65×10120.41×1012b44333333

國內(nèi)外試驗證明，除了個別在疲勞計算中不起控制作用類別的疲勞強度有隨鋼材的強度提高而稍有增加外，大多數(shù)焊接連接類別的疲勞強度不受鋼材強度的影響，這一點，通過表達式（10.5.4）也能說明。

2023/3/3010.5.3變幅疲勞當應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅隨機變化時為變幅疲勞。2變幅荷載可將變幅疲勞折算為等效的常幅疲勞，然后按常幅疲勞檢算式檢算。e—等效常幅疲勞應(yīng)力幅。

[]—常幅疲勞的容許應(yīng)力幅。

情形一能夠測得使用期內(nèi)應(yīng)力變幅規(guī)律σtn1i(10.5.8)（a）檢算公式2023/3/302023/3/30（b)計算

若能預(yù)測結(jié)構(gòu)在使用壽命期間各種荷載的應(yīng)力幅以及次數(shù)分布所構(gòu)成的設(shè)計應(yīng)力譜，則根據(jù)累積損傷原理可將變幅疲勞折合為等效常幅疲勞，將隨機變化的應(yīng)力幅折算為等效應(yīng)力幅e按下式進行疲勞計算：(10.5.13)Σni

以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)表示的結(jié)構(gòu)預(yù)期使用壽命；

ni

預(yù)期壽命內(nèi)應(yīng)力幅水平達到i的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)2023/3/301.00.80.5重級工作制硬鉤吊車重級工作制軟鉤吊車梁中級工作制吊車f吊車梁類別表10-2吊車梁或吊車桁架欠載效應(yīng)系數(shù)59697890103118144176N/mm2[]n=2×10687654321連接形式類別表2-3n=2×106的容許應(yīng)力幅值2023/3/30疲勞破壞中一些值得注意的問題（1）疲勞驗算采用的是容許應(yīng)力設(shè)計法，而不是以概率論為基礎(chǔ)的設(shè)計方法。這主要是因為焊接構(gòu)件焊縫周圍的力學(xué)性能非常復(fù)雜，目前還沒有較好試驗或數(shù)值方法對其進行以概率論為基礎(chǔ)的研究。采用荷載標準值計算。（2）對于只有壓應(yīng)力的應(yīng)力循環(huán)作用，由于鋼材內(nèi)部缺陷不易開展，則不會發(fā)生疲勞破壞，不必進行疲勞計算。（3）國內(nèi)外試驗證明，大多數(shù)焊接連接類別的疲勞強度不受鋼材強度的影響，故可認為