钢结构疲劳分析
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钢结构疲劳问题
其他原因： 行动活荷载； 焊接缺陷：孔洞、夹渣等； 成型控制缺陷（冲孔、剪边、气割）； 几何截面的突然变形； 地震的对结构的反复摇摆，温度变化。
20
钢结构疲劳问题
疲劳计算原则
安全寿命法：先估计一个荷载谱，然后通过分析和实验找出 关键构件在这一荷载普下的语气寿命，在引入安全系数以得 到安全寿命，安全寿命决定使用期限，就够后构件到安全寿 命就要报废或者更换，使用于飞机设计。
应力比：R=min/ max
应力幅：循环一周最大、最小应力差
= max- min
t
t
常幅疲劳
变幅疲劳
“常幅疲劳”是指在使用期内交变荷载下每次循环的应力变化幅 值相同；否则称“变幅疲劳”。承受吊车荷载的吊车梁属变幅疲 劳，因为起吊重量有时满载，有时欠载。
9
钢结构疲劳问题
a）静应力R=1 b）脉动循环应力R=0 c)对称循环应力R=-1
16
钢结构疲劳问题
延长疲劳寿命的方法： 减小初始裂纹尺寸a1。因为在裂纹尺寸很小时，扩展速率da/dN很低； 降低构件所承受的应力和采用韧性较好的材料。减低应力幅要求增大构件截 面，从而提高造价。采用高韧性材料和加强施工质量控制也都要提高造价。 于是要权衡轻重做出最佳的方案
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钢结构疲劳问题
高周疲劳：在疲劳破坏之前具有应力大，应变小的特点 低周疲劳：在疲劳破损之前具有应力小，应变大的特点 采用较小的循环应力，可降低疲劳强度，增大构件的寿命
I:对接焊缝 II:角接焊缝
22
钢结构疲劳问题
应力幅准则
自从焊接结构用于承受疲劳荷载以来，工程界从实践逐渐认识
14
钢结构疲劳问题
A的纵坐标是在N=N1时，交变循环荷载作用下的 max
B的纵坐标是N=N1时，R=0时的疲劳强度 C的纵坐标是N=N1时，R=0.5的疲劳强度 D的纵坐标是N=N1时，R=1 的疲劳强度
而当N2<N1时，则疲劳强度则有所提高
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钢结构疲劳问题
对焊接结构而言，构造细节主要表现在零件之间的连接方式和焊缝的 形式，在同样的应力幅作用下，结构没有焊缝的部位，疲劳破坏前的 循环次数高于对接焊缝的部位，对接焊缝部位高于角焊缝的部位（虚 线）
3
钢结构疲劳问题
产生疲劳的原因
内因：钢材材性、结构构造。 材料局部缺陷（工艺微裂纹、焊缝夹渣）
外因：应力集中程度 应力幅值 应力循环特征值 循环次数 环境：接触疲劳、高温疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳
4
钢结构疲劳问题
疲劳破坏机理
1）形成微裂纹 材料已有微裂纹或加载使杂质附近发生应力集中，造成新的 微裂纹。 疲劳破坏由裂缝发展所致。因此，无拉应力，则无疲劳破 坏；无拉应力，不验算疲劳。 裂缝反复扩张、闭合，使疲劳断口上有半椭园光滑区，其余 部分粗糙；
1990年荷兰建成的Bascule桥尽在运营7年之后就观测到危机桥 梁安全的严重的疲劳开裂。
2
钢结构疲劳问题
钢材的疲劳过程 可分为裂纹的形成、裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂 三个阶段。
疲劳强度与反复荷载引起的应力种类（拉应力、压 应力、剪应力和复杂应力等）、应力循环形式、应 力循环次数、应力集中程度和残余应力等有关。
钢结构疲劳问题
疲劳现象 fatigue
在连续反复（循环）荷载 作用下，当应力低于抗拉 强度甚至低于屈服强度便 发生突然脆性断裂。这种 现象称钢材疲劳破坏。
1
钢结构疲劳问题
必要性：
现代各个工业领域中，80%以上的结构破坏是由于疲劳造成。 1967年12月15日，美国西弗吉利亚州的Point Pleasant大桥在没 有任何征兆的情况下突然倒塌，造成46人死亡，调查结果显示 是由于一拉杆下缘产生解理断裂。
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钢结构疲劳问题
疲劳极限： 当循环系数R一定时，应力循环N次后材料不发生疲劳破坏时 的最大应力。 疲劳曲线： 对一个试件在循环系数R一定的条件下材料的最大应力
ma（x 疲劳极限）与应力循环次数N的关系。
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钢结构疲劳问题
疲劳试验
对于不同的应力可以到不同的循环次数。 光滑试件的疲劳强度明显高于带槽试件。 原因：带槽试件的应力集中使疲劳强度降低。
应力集中是研究疲劳问题的重要因素
12
钢结构疲劳问题
有横向对接焊缝的试件的疲劳强度随焊缝的余高角度的变化。 角度愈小，应力集中愈严重，疲劳强度愈低。
构造细节是设计承受疲劳荷载的重要因素
13
钢结构疲劳问题
角焊缝连接试件在不同应力循环特征值作用下应力循环次数。 随着应力特征值的增大疲劳强度增大，但这对于轧制钢材和非 焊接结构而言的，对于焊接结构则直接与应力幅相关。
5
钢结构疲劳问题
有拉应力裂缝张开
无拉应力裂缝闭合
6
钢结构疲劳问题
疲劳破坏机理
2）反复荷载下微裂纹发展成宏观裂纹 反复荷载下微裂纹尖端应力集中、材料硬化，裂纹开展，出 现宏观裂纹。
裂纹尖端应力集中使裂纹开展
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钢结构疲劳问题
疲劳破坏机理
3）宏观裂纹发展，断面削弱，脆性断裂
8
钢结构疲劳问题
应力比与应力幅
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钢结构疲劳问题
腐蚀劳：在腐蚀介质的作用下，构件的小裂纹会随之时间而 扩展，因此会损害构件的疲劳寿命。
1. 真空容器试件疲劳试验 2. 空气中试件疲劳试验 3. 预先浸入腐蚀液体后取出的试件疲劳试验 4. 在腐蚀介质中的疲劳试件的疲劳试验
显然在腐蚀介质中的疲劳试验寿命降低的最大，因此在海水腐 蚀作用下的结构其疲劳设计不同于一般结构，也已经成为一门 重要的研究课题。
损伤安全法：在结构的莫一部分出现裂缝时，保证在裂缝被 发现前其他部分还能安全的承载，局部性的破坏不会危及到 整个结构，因此要常常检查，若不能则按概率一倍标准差确 定容许应力。
使用寿命法：类似于安全寿命法，但是当结构到达安全寿命 时不立即报废，并且承认道道安全寿命前有可能出现疲劳裂 缝，一般不对结构做疲劳实验而是利用典型构造细节实验的 结果做出分析计算，用于土建。
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钢结构疲劳问题
应力比准则
长期以来钢结构的疲劳一直按应力比准则。对一定的循环次数 ，构件的疲劳强度和以应力比为代表应力循环特征是密切相关的 ，对引进安全系数即可得到设计用的疲劳应力容许值：
max f (R)
对于我国采用的是TJ17-74中的疲劳容许应力计算公式：
[ p ] [ 0 p ] 1 k
钢结构疲劳问题
其他原因： 行动活荷载； 焊接缺陷：孔洞、夹渣等； 成型控制缺陷（冲孔、剪边、气割）； 几何截面的突然变形； 地震的对结构的反复摇摆，温度变化。
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钢结构疲劳问题
疲劳计算原则
安全寿命法：先估计一个荷载谱，然后通过分析和实验找出 关键构件在这一荷载普下的语气寿命，在引入安全系数以得 到安全寿命，安全寿命决定使用期限，就够后构件到安全寿 命就要报废或者更换，使用于飞机设计。
应力比：R=min/ max
应力幅：循环一周最大、最小应力差
= max- min
t
t
常幅疲劳
变幅疲劳
“常幅疲劳”是指在使用期内交变荷载下每次循环的应力变化幅 值相同；否则称“变幅疲劳”。承受吊车荷载的吊车梁属变幅疲 劳，因为起吊重量有时满载，有时欠载。
9
钢结构疲劳问题
a）静应力R=1 b）脉动循环应力R=0 c)对称循环应力R=-1
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钢结构疲劳问题
延长疲劳寿命的方法： 减小初始裂纹尺寸a1。因为在裂纹尺寸很小时，扩展速率da/dN很低； 降低构件所承受的应力和采用韧性较好的材料。减低应力幅要求增大构件截 面，从而提高造价。采用高韧性材料和加强施工质量控制也都要提高造价。 于是要权衡轻重做出最佳的方案
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钢结构疲劳问题
高周疲劳：在疲劳破坏之前具有应力大，应变小的特点 低周疲劳：在疲劳破损之前具有应力小，应变大的特点 采用较小的循环应力，可降低疲劳强度，增大构件的寿命
I:对接焊缝 II:角接焊缝
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钢结构疲劳问题
应力幅准则
自从焊接结构用于承受疲劳荷载以来，工程界从实践逐渐认识
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钢结构疲劳问题
A的纵坐标是在N=N1时，交变循环荷载作用下的 max
B的纵坐标是N=N1时，R=0时的疲劳强度 C的纵坐标是N=N1时，R=0.5的疲劳强度 D的纵坐标是N=N1时，R=1 的疲劳强度
而当N2<N1时，则疲劳强度则有所提高
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钢结构疲劳问题
对焊接结构而言，构造细节主要表现在零件之间的连接方式和焊缝的 形式，在同样的应力幅作用下，结构没有焊缝的部位，疲劳破坏前的 循环次数高于对接焊缝的部位，对接焊缝部位高于角焊缝的部位（虚 线）
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钢结构疲劳问题
产生疲劳的原因
内因：钢材材性、结构构造。 材料局部缺陷（工艺微裂纹、焊缝夹渣）
外因：应力集中程度 应力幅值 应力循环特征值 循环次数 环境：接触疲劳、高温疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳
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钢结构疲劳问题
疲劳破坏机理
1）形成微裂纹 材料已有微裂纹或加载使杂质附近发生应力集中，造成新的 微裂纹。 疲劳破坏由裂缝发展所致。因此，无拉应力，则无疲劳破 坏；无拉应力，不验算疲劳。 裂缝反复扩张、闭合，使疲劳断口上有半椭园光滑区，其余 部分粗糙；
1990年荷兰建成的Bascule桥尽在运营7年之后就观测到危机桥 梁安全的严重的疲劳开裂。
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钢结构疲劳问题
钢材的疲劳过程 可分为裂纹的形成、裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂 三个阶段。
疲劳强度与反复荷载引起的应力种类（拉应力、压 应力、剪应力和复杂应力等）、应力循环形式、应 力循环次数、应力集中程度和残余应力等有关。
钢结构疲劳问题
疲劳现象 fatigue
在连续反复（循环）荷载 作用下，当应力低于抗拉 强度甚至低于屈服强度便 发生突然脆性断裂。这种 现象称钢材疲劳破坏。
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钢结构疲劳问题
必要性：
现代各个工业领域中，80%以上的结构破坏是由于疲劳造成。 1967年12月15日，美国西弗吉利亚州的Point Pleasant大桥在没 有任何征兆的情况下突然倒塌，造成46人死亡，调查结果显示 是由于一拉杆下缘产生解理断裂。
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钢结构疲劳问题
疲劳极限： 当循环系数R一定时，应力循环N次后材料不发生疲劳破坏时 的最大应力。 疲劳曲线： 对一个试件在循环系数R一定的条件下材料的最大应力
ma（x 疲劳极限）与应力循环次数N的关系。
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钢结构疲劳问题
疲劳试验
对于不同的应力可以到不同的循环次数。 光滑试件的疲劳强度明显高于带槽试件。 原因：带槽试件的应力集中使疲劳强度降低。
应力集中是研究疲劳问题的重要因素
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钢结构疲劳问题
有横向对接焊缝的试件的疲劳强度随焊缝的余高角度的变化。 角度愈小，应力集中愈严重，疲劳强度愈低。
构造细节是设计承受疲劳荷载的重要因素
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钢结构疲劳问题
角焊缝连接试件在不同应力循环特征值作用下应力循环次数。 随着应力特征值的增大疲劳强度增大，但这对于轧制钢材和非 焊接结构而言的，对于焊接结构则直接与应力幅相关。
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钢结构疲劳问题
有拉应力裂缝张开
无拉应力裂缝闭合
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钢结构疲劳问题
疲劳破坏机理
2）反复荷载下微裂纹发展成宏观裂纹 反复荷载下微裂纹尖端应力集中、材料硬化，裂纹开展，出 现宏观裂纹。
裂纹尖端应力集中使裂纹开展
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钢结构疲劳问题
疲劳破坏机理
3）宏观裂纹发展，断面削弱，脆性断裂
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钢结构疲劳问题
应力比与应力幅
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钢结构疲劳问题
腐蚀劳：在腐蚀介质的作用下，构件的小裂纹会随之时间而 扩展，因此会损害构件的疲劳寿命。
1. 真空容器试件疲劳试验 2. 空气中试件疲劳试验 3. 预先浸入腐蚀液体后取出的试件疲劳试验 4. 在腐蚀介质中的疲劳试件的疲劳试验
显然在腐蚀介质中的疲劳试验寿命降低的最大，因此在海水腐 蚀作用下的结构其疲劳设计不同于一般结构，也已经成为一门 重要的研究课题。
损伤安全法：在结构的莫一部分出现裂缝时，保证在裂缝被 发现前其他部分还能安全的承载，局部性的破坏不会危及到 整个结构，因此要常常检查，若不能则按概率一倍标准差确 定容许应力。
使用寿命法：类似于安全寿命法，但是当结构到达安全寿命 时不立即报废，并且承认道道安全寿命前有可能出现疲劳裂 缝，一般不对结构做疲劳实验而是利用典型构造细节实验的 结果做出分析计算，用于土建。
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钢结构疲劳问题
应力比准则
长期以来钢结构的疲劳一直按应力比准则。对一定的循环次数 ，构件的疲劳强度和以应力比为代表应力循环特征是密切相关的 ，对引进安全系数即可得到设计用的疲劳应力容许值：
max f (R)
对于我国采用的是TJ17-74中的疲劳容许应力计算公式：
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