钢结构疲劳重点补充

1、一、概念一、概念1 1、循环荷载循环荷载结构或构件承受的随时间变化的荷载。结构或构件承受的随时间变化的荷载。PP11A1-1A3.4 钢材的疲劳（P42)(b)(b)脉冲循环脉冲循环(a)(a)完全对称循环完全对称循环(c)(c)不完全对称循环不完全对称循环(d)(d)不完全对称循环不完全对称循环2.2.钢材的疲劳钢材的疲劳 在循环荷载（连续反复荷载）作用下，经过有限次在循环荷载（连续反复荷载）作用下，经过有限次循环，钢材发生破坏的现象，称之为疲劳。循环，钢材发生破坏的现象，称之为疲劳。3.3.疲劳破坏的机理疲劳破坏的机理 疲劳破坏是积累损伤的结果。疲劳破坏是积累损伤的结果。缺陷缺陷微观裂纹微

2、观裂纹宏观裂纹宏观裂纹。4.4.疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。5.5.影响钢材疲劳的主要因素影响钢材疲劳的主要因素（1 1）构件和连接的分类）构件和连接的分类 切切割割，轧轧制制边边）残残余余应应力力（焊焊接接，火火焰焰应应力力集集中中构构造造缺缺陷陷材材料料内内部部缺缺陷陷缺缺陷陷 规范将构件和连接的种类分为规范将构件和连接的种类分为 8类类，第第1类类为轧为轧制的型钢（残余应力小）疲劳强度最高；制的型钢（残余应力小）疲劳强度最高；第第8类类为角为角焊缝应力集中最严重疲劳强度最低。焊缝应力集中最严重疲劳强度最低。 详见钢

3、结构设详见钢结构设计规范计规范“疲劳计算的构件和连接分类（附录疲劳计算的构件和连接分类（附录E）”。ffyy maxminmax焊缝附近主体金焊缝附近主体金属的应力由：属的应力由：实际应力循环均形成在拉应力范围实际应力循环均形成在拉应力范围min yf（2 2）应力幅（应力幅（）和应力循环特征（应力比）和应力循环特征（应力比）A. 对于焊接结构：对于焊接结构：fyfyfyfyfyfy 应力幅应力幅对焊接结构的疲劳强度有对焊接结构的疲劳强度有很大很大影响影响，而与名义最大应力，而与名义最大应力maxmax和应力比和应力比无关。无关。B. 对于非焊接结构和轧制钢材对于非焊接结构和轧制钢材 在循环次

4、数在循环次数N N一定的情况下，根据试验资料可以一定的情况下，根据试验资料可以绘出绘出N N次循环的次循环的疲劳图疲劳图( (maxmax和和minmin关系曲线关系曲线) )。 当当=0=0和和=-1=-1时的疲劳强度分别为时的疲劳强度分别为0 0 和和-1-1，连接连接BCBC并延长至并延长至A A、D D。疲疲劳劳破破坏坏。次次时时，将将发发生生环环达达到到则则这这组组应应力力循循或或上上方方，上上的的点点落落在在直直线线当当坐坐标标为为NABCD),(minmax 拉）拉）(max （压）（压）min 1 1 非焊接结构的疲劳图非焊接结构的疲劳图0 （拉拉）min fyDA),(11

5、B),(ooC 由上述推导可知，对于非焊接结构和轧制钢材，由上述推导可知，对于非焊接结构和轧制钢材，疲劳强度与最大应力、应力比、循环次数和缺口效应疲劳强度与最大应力、应力比、循环次数和缺口效应（构造类型的应力集中情况）有关。（构造类型的应力集中情况）有关。)122(minmax ok ABCDABCD直线方程为直线方程为：)132()1 (max ok 1min1max,ok式中：拉）拉）(max （压）（压）min fy1 1 DA非焊接结构的疲劳图非焊接结构的疲劳图0 ),(11 B),(ooC （拉拉）min （3 3）应力循环次数）应力循环次数N（疲劳寿命）（疲劳寿命）应力循环次数应力

6、循环次数N5510104 4，不需要进行疲劳计算。，不需要进行疲劳计算。 应力幅越低，作用循环次数越多，应力幅越低，作用循环次数越多，疲劳寿命越高；疲劳寿命越高； 应力幅相同，作用的循环次数越应力幅相同，作用的循环次数越多，疲劳寿命越高。多，疲劳寿命越高。0 NX105 1N1 2N2 bf fy123456 由试验结果，以及上述分析可知钢材的疲劳强度由试验结果，以及上述分析可知钢材的疲劳强度主要与构件和连接分类（内部缺陷、应力集中、残余主要与构件和连接分类（内部缺陷、应力集中、残余应力）、应力循环次数和应力幅有关。应力）、应力循环次数和应力幅有关。 焊接部位的疲劳强度与钢材的静力强度焊接部位

7、的疲劳强度与钢材的静力强度(屈服点屈服点fy)基本无关。基本无关。 对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳缺陷不易开展，则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。计算。二、疲劳强度计算二、疲劳强度计算（一）常幅疲劳（一）常幅疲劳 根据试验数据可以绘出构件或连接的应力幅根据试验数据可以绘出构件或连接的应力幅与相应的致损循环次数与相应的致损循环次数N的关系曲线，按试验数据回的关系曲线，按试验数据回归的归的-N-N曲线为平均曲线曲线为平均曲线( (图图a)a)，取对数坐标，取对数坐标( (图图b)b)。1.1.容

8、许应力幅容许应力幅 由于现阶段对钢材发生疲劳破坏尚处于进一步研由于现阶段对钢材发生疲劳破坏尚处于进一步研究阶段，按概率极限状态计算疲劳强度还不成熟，故究阶段，按概率极限状态计算疲劳强度还不成熟，故采用采用容许应力幅的容许应力幅的计算方法。计算方法。-N-N曲线曲线(a)0Nlglg()(323)nb1:10bnC即式中：式中：-直线对纵坐标的斜率；直线对纵坐标的斜率； b b1 1-直线在横轴坐标上的截距；直线在横轴坐标上的截距； n-循环次数。循环次数。(b)0NlgN=5104N=5X106 lg.b b 考虑试验数据的离散性，取平均值减去考虑试验数据的离散性，取平均值减去2 2倍倍lgN

9、lgN的的标准差标准差 s s 作为疲劳强度下限，当作为疲劳强度下限，当lglg为正态分布为正态分布时，保证率为时，保证率为97.7%97.7%。下限值的直线方程为：下限值的直线方程为：1lglg()2lg()nbsb此时的此时的即为容许应力幅：即为容许应力幅：1(3.27)CN式中：式中：系数系数、c-c- -根据钢结构根据钢结构设计规范设计规范“疲劳计算的构件和疲劳计算的构件和连接分类连接分类”查表得到。查表得到。2S2S 2S2S(b)0NlgN=5104N=5X106 lg.b b1 11:10(3.25)bnC即2.2.疲劳强度计算疲劳强度计算(3.28) 式中：式中：-计算部位的应

10、力幅；计算部位的应力幅； 对于焊接部位对于焊接部位: : =maxmax-minmin； 对于其他部位：对于其他部位：=maxmax-0.7-0.7minmin( (计算应力幅）。计算应力幅）。 maxmax、minmin-计算部位每次应力循环中的最大拉应力和计算部位每次应力循环中的最大拉应力和 最小拉应力或压应力（取负值）。最小拉应力或压应力（取负值）。说明：说明： 1 1）计算时用荷载的标准值；）计算时用荷载的标准值； 2 2）由于来源于试验，已考虑动力效应，计算）由于来源于试验，已考虑动力效应，计算 时不再考虑动力系数；时不再考虑动力系数；（二）变幅疲劳和吊车欠载效应系数（二）变幅疲劳和

11、吊车欠载效应系数maxmin0t62 10(3.29)fn 欠载效应系数欠载效应系数。重级工作制硬钩吊车。重级工作制硬钩吊车1.01.0；重；重级工作制软钩吊车级工作制软钩吊车0.80.8；中级工作制吊车；中级工作制吊车0.50.5。 f -循环次数循环次数 N=2X10N=2X106 6 的容许应力幅。的容许应力幅。6102 n 式中：式中：对于吊车梁，按下式计算其疲劳强度：对于吊车梁，按下式计算其疲劳强度： 1 1、不出现拉应力的部位可不计算疲劳。但对出现拉、不出现拉应力的部位可不计算疲劳。但对出现拉应力的部位，例如应力的部位，例如maxmax=140N/mm=140N/mm2 2,minmin=-10N/mm=-10N/mm2 2和和maxmax=10N/mm=10N/mm2 2,minmin=-140N/mm=-140N/mm