浅谈钢结构的疲劳计算
关于起重机钢结构疲劳计算的讨论
根据文献［１］，起重机利用等级与总的工作循环次数的关
的结构中采用高强度材料可降低结构的重量，而在由疲劳控 系见表 ２。
制设计的结构中采用高强度材料则是不合理和不经济的。
利用公式（６）可得表 ３。
这一点正和由刚度控制设计的结构中采用高强度材料是不合 理、不经济的一样。
表２ 起重机的利用等级
３．２ 变幅疲劳的等效 应力幅的计算方法
［Δσｃ ］＝（ｃ／ｎ）１／β 其中： ｎ——应力循环次数；
（６）
静强度计算中的材料强度极限和屈服强度σｓ也都是由试验
确定的，但那种试验中的载荷是缓慢施加的，试验中不包括
ｃ、β——参数，依据构件和连接类别可查表 １选用。
动力效应，而实际结构承载时是有动力效应的，故乘以动载
表１ 参数ｃ、β （据文献［３］ 表６．２．１）
算疲劳强度。 但是对工民建领域来
表３ 常幅疲劳的许用应力幅 ［Δσ ］（ｃ代表常幅） ｃ
说，由于承受动载 荷 的 结 构
类 型 不 是 很 多 ，尚 未 有 一 套
全 面 的 载 荷 谱 ，故 只 能 给 出
一 般 计 算 方 法 ，在 实 际 应 用
时对变幅疲劳的计算应用公
式（ ８ ）是 很 繁 复 的 。而 在 起 重
３ 新的疲劳计算方法在起重机结构设计中的应 用
在《 起 重 机 设 计 规 范 》（ Ｇ Ｂ ３ ８ １ １ － ８ ３ ）制 订 时 ，工 民 建 的
利用文献［１］中的起 重机的载荷状态与名义载 荷谱系数Ｋｐ及文献［３］中 的公式（６．２．３－２（）即本文
《 钢 结 构 设 计 规 范 》（ Ｇ Ｂ Ｊ １ ７ － ８ ８ ）尚 未 发 表 ，故 采 用 与 修 订 前
对于变幅（应力循环内的应力幅随机变化）疲劳，若能预 测结构在使用寿命期间各种载荷的频率分布应力幅水平以及
钢结构疲劳计算
目录
• 引言 • 钢结构疲劳计算基础 • 疲劳载荷谱的编制 • 疲劳寿命估算 • 疲劳损伤累积与断裂分析 • 钢结构疲劳计算的工程应用 • 结论与展望
01 引言
疲劳计算的重要性
保证结构安全
疲劳计算是确保钢结构在长期使用过程中保持安全的重要手段，通过计算可以 预测结构在各种载荷下的疲劳损伤，从而采取相应的措施来预防破坏。
07 结论与展望
结论
疲劳计算是钢结构设计中的重要环节，通过合理的计算和 分析，可以预测结构在循环载荷作用下的性能和寿命，为 结构的安全性和经济性提供保障。
疲劳计算的准确性和可靠性取决于多种因素，如载荷类型、 材料特性、结构细节和计算方法等。因此，选择合适的计 算方法和参数是至关重要的。
疲劳计算的结果可以为结构的设计、制造、安装和维护提 供指导，帮助工程师更好地理解和控制结构的疲劳性能。
线性疲劳累计损伤理论
基于S-N曲线，通过线性累计损伤的概念来估算疲劳寿命。
非线性疲劳累计损伤理论
基于S-N曲线，考虑非线性累计损伤效应，更准确地估算疲劳寿命。
05 疲劳损伤累积与断裂分析
疲劳损伤累积模型
线性累积损伤模型
假设疲劳损伤是线性的，即每次循环产生的损伤可以累加，适用于 高周疲劳。
非线性累积损伤模型
损伤力学
将结构视为损伤演化过程，通过分析损伤演化规律来预测结构的断裂 行为。
断裂韧性测试与评估
试样制备
根据标准要求制备试样，确保试样的尺寸、形状和表面处理等符 合要求。
加载制度
根据标准规定的加载制度进行试验，确保试验结果的准确性和可重 复性。
结果评估
根据试验结果计算断裂韧性值，并与标准值进行比较，评估材料的 断裂韧性性能。
钢结构理论与设计(设计部分)：第十章 疲劳计算和吊车梁设计
吊车梁
吊车梁工程实例
格构柱
吊车梁
吊车梁 格构柱
1. 吊车梁系统的组成
吊车梁类型：
按计算简图：简支梁 / 连续梁 按构造： 焊接梁 / 高强度螺栓桁架梁 / 栓-焊梁 按构件类型：实腹梁 / 吊车桁架
➢ 型钢截面 ➢ 焊接工字形截面 ➢ 箱形截面 ➢ 上行式直接支承吊车桁架： 吊车轨道直接铺设在桁架上弦上 ➢ 上行式间接支承吊车桁架： 桁架梁上弦放置节点间短梁，以承受吊车荷载
② 最大水平弯矩
制动结构为制动板时：按竖向轮压下最大弯矩相同轮位计算
制动结构为制动桁架时：Mymax应转换为翼缘的附加轴力，且应
4
4
3
3
3
3
3
3
国内外试验证明，除了个别在疲劳计算中不起控制作用类别 的疲劳强度有随钢材的强度提高而稍有增加外，大多数焊接连 接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响，这一点，通过表达式 （10.3）也能说明。
2021/4/22
1
[
]
C n
(10.3)
疲劳计算采用容许应力幅法，按弹性状态计算应力进行计 算。计算只适用于无高温（t≤150℃）、无严重腐蚀环境中的高周
柱
2021/4/22
吊车
2021/4/22
起重机类型
桥式吊车
抓斗
起重机技术规格
桥式吊车
1. 吊车梁系统的组成
组成：
➢ 吊车梁(或吊车桁架) ➢ 制动结构 ➢ 辅助桁架 ➢ 支撑
2021/4/22
吊车梁及制动结构的组成
1-吊车梁； 2-制动梁； 3-制动桁架； 4-辅助桁架；5-水平支撑；6-垂直支撑
f
n2106
2021/4/22
钢结构疲劳计算
钢结构疲劳计算
钢结构疲劳计算是指通过一系列的分析和计算，确定钢结构在连续循环加载（如交通载荷、风荷载等）下的疲劳寿命和疲劳极限，从而确保结构的安全性和可靠性。
钢结构疲劳计算主要包括以下几个步骤：
1. 疲劳载荷分析：确定钢结构在实际工况下的受力情况，包括静载荷和动载荷等。
常用的方法有实测、数值模拟和统计分析等。
2. 构件应力分析：基于疲劳载荷分析结果，通过有限元分析或经验公式等方法，计算出各构件的应力情况。
应注意考虑动荷载引起的共振和谐振效应。
3. 疲劳寿命计算：根据Wöhler曲线（疲劳强度与循环次数的关系曲线），将应力历程转化为循环次数，并通过疲劳寿命估算公式计算出构件的疲劳寿命。
4. 疲劳累积损伤计算：针对多次循环载荷的情况，需要进行疲劳累积损伤计算。
常用的方法有矿山方程法、极限状态方程法和累积损伤积分法等。
5. 安全性评估：根据疲劳寿命和疲劳极限计算结果，与设计要求进行比较，评估结构的安全性。
如果结构的疲劳寿命较短，需要采取相应的措施，如加强结构、增加支撑等。
需要注意的是，钢结构疲劳计算是一项较为复杂的工作，需要对结构材料的疲劳性能、荷载特性以及结构形式等进行综合考虑。
因此，在进行钢结构疲劳计算时，应遵循相应的标准规范，采用合适的计算方法，并进行有效的验证和优化。
中轻级工作制钢吊车梁疲劳计算的探讨
中轻级工作制钢吊车梁疲劳计算的探讨以中轻级工作制钢吊车梁疲劳计算的探讨为标题近年来，随着工业化进程的加快，钢结构在建筑、桥梁等工程中得到了广泛应用。
而作为钢结构中的重要部件之一，吊车梁的疲劳寿命计算备受关注。
本文将探讨中轻级工作制钢吊车梁的疲劳计算问题。
钢吊车梁是吊车的核心组成部分，承担着起重作业的重要任务。
然而，由于长时间的使用和不可预测的工作载荷，吊车梁会产生疲劳损伤，进而影响其使用寿命和安全性。
因此，进行疲劳计算是确保吊车梁安全可靠运行的重要一环。
疲劳计算是通过分析吊车梁在不同工况下的应力、应变等参数，来评估其疲劳寿命的一种方法。
在实际工程中，吊车梁的工作环境和工作条件各异，因此需要根据具体情况选择合适的疲劳计算方法。
需要确定吊车梁的工作载荷。
吊车梁在工作过程中，受到自重、起重物的重力、运动惯性力等多种力的作用。
为了准确计算吊车梁的疲劳寿命，需要详细了解吊车梁在不同工况下的工作载荷，并进行合理的取值。
需要选择合适的疲劳计算方法。
常见的疲劳计算方法有极限应力法、振动疲劳法等。
极限应力法是根据材料的疲劳性能曲线，通过比较应力与材料的极限疲劳强度，判断吊车梁的疲劳寿命。
振动疲劳法则是根据吊车梁的振动频率和振幅，结合应力分析，计算吊车梁的疲劳寿命。
根据不同的工况和要求，可以选择合适的疲劳计算方法。
还需要考虑吊车梁的结构特点和材料性能。
吊车梁的结构形式多样，包括箱型梁、悬臂梁等。
不同结构形式对疲劳寿命的影响也不同。
材料的性能包括强度、韧性、疲劳性能等，对吊车梁的疲劳寿命也有着重要影响。
因此，在进行疲劳计算时，需要充分考虑吊车梁的结构特点和材料性能。
还需要进行疲劳寿命的评估和预测。
通过对吊车梁的疲劳计算，可以得到吊车梁在不同工况下的疲劳寿命。
根据疲劳寿命的评估结果，可以判断吊车梁是否需要进行强化设计或更换。
同时，还可以通过对吊车梁的疲劳寿命进行预测，提前采取相应的维修和保养措施，延长吊车梁的使用寿命。
钢结构疲劳验算
钢结构疲劳验算简介钢结构是一种常见的建筑结构形式，具有高强度、刚性好、耐久性强等优点。
然而，在长期使用过程中，钢结构可能会受到疲劳的影响，导致结构的损伤和失效。
因此，进行钢结构的疲劳验算是非常重要的。
本文将介绍钢结构疲劳验算的基本概念、验算方法和实际应用，以帮助工程师更好地理解和应用疲劳验算技术。
1. 疲劳现象及其机理1.1 疲劳现象疲劳是指材料或结构在受到循环载荷作用下，经过一段时间后出现裂纹、变形或失效的现象。
与单次载荷下的静态失效不同，疲劳失效通常是逐渐积累的过程。
1.2 疲劳机理钢材在受到循环载荷作用下，会发生以下几个阶段：•起始阶段：由于应力集中等原因，在表面形成微小裂纹。
•扩展阶段：裂纹逐渐扩展，形成可见的裂纹。
•失效阶段：裂纹扩展至临界尺寸，导致结构失效。
2. 疲劳验算方法2.1 应力幅值法应力幅值法是最常用的疲劳验算方法之一。
它基于应力水平和应力幅值之间的关系进行验算。
具体步骤如下：1.确定结构受到的循环载荷。
2.计算结构在每个载荷循环下的应力幅值。
3.根据材料的疲劳性能曲线，确定应力幅值对应的寿命。
4.对所有循环进行累加，得到结构的预计寿命。
2.2 应变范围法应变范围法是另一种常用的疲劳验算方法。
它基于材料在循环载荷下产生的塑性变形进行验算。
具体步骤如下：1.确定结构受到的循环载荷。
2.计算结构在每个载荷循环下的应变范围。
3.根据材料的疲劳性能曲线，确定应变范围对应的寿命。
4.对所有循环进行累加，得到结构的预计寿命。
2.3 应力时间历程法应力时间历程法是一种更为精确的疲劳验算方法，它考虑了载荷的变化率和频率等因素。
具体步骤如下：1.确定结构受到的循环载荷的时间历程。
2.将时间历程分解为若干个小时间段，在每个小时间段内计算应力幅值。
3.根据材料的疲劳性能曲线，确定应力幅值对应的寿命。
4.对所有小时间段进行累加，得到结构的预计寿命。
3. 实际应用钢结构疲劳验算在工程实践中具有重要意义。
钢结构的疲劳计算方法为容许应力法.
钢结构的疲劳计算方法为容许应力法.嘿，咱今儿个就来聊聊钢结构的疲劳计算方法，那就是容许应力法哟！你说这钢结构啊，就好像是一位默默奉献的大力士，撑起了无数的高楼大厦、桥梁隧道。
可别小看了它，要是它累坏了，那可不得了啦！而这疲劳计算方法呢，就像是给这位大力士做体检，看看它能不能继续好好干活。
这容许应力法呀，就像是给钢结构设定了一个标准线。
咱可以想象一下，好比跑步比赛，有个规定的及格线，只有达到了这个线，才能继续跑下去，不然就得歇歇啦。
钢结构也是这样，通过这个方法，我们能知道它是不是还能承受得住各种压力和使用。
咱来具体说说这容许应力法是咋操作的呢。
它会考虑好多因素呢，比如钢结构承受的荷载呀，使用的频率呀，还有环境的影响等等。
这就好像我们人一样，工作累不累呀，工作时间长不长呀，工作环境好不好呀，这些都会影响我们的状态呢。
那为什么要用这个容许应力法呢？这可太重要啦！它能帮我们提前发现钢结构可能出现的问题，就像医生能提前诊断出我们身体可能有的毛病一样。
这样一来，我们就能及时采取措施，要么给它加强一下，要么调整使用方式，让它能更长久地为我们服务呀。
你想想，如果没有这么个好方法，钢结构说不定哪天就突然“罢工”啦，那可多吓人呀！这可不是开玩笑的事儿哟。
而且呀，这个方法还挺灵活的呢。
它可以根据不同的钢结构类型和使用情况进行调整，就像裁缝给不同身材的人做衣服，得量体裁衣才行呢。
那有人可能会问啦，这方法就一定准吗？哎呀，世上哪有绝对完美的事儿呀，但它可是经过了无数实践和研究得出来的呢，还是很靠谱的啦！总之呢，这钢结构的疲劳计算方法为容许应力法，真的是很重要的哟！它就像是钢结构的保护神，让我们的建筑和设施更加安全可靠。
咱可得好好了解了解它，说不定哪天还能派上大用场呢！不是吗？所以呀，可别小瞧了这个小小的计算方法，它背后的意义可大着呢！。
钢结构的脆性断裂和疲劳
一、概念 1、循环荷载——结构或构件承受的随时间变化的荷载。
PP 1 A 1
A 1-1
（1）应力循环 --构件截面应力随时间的变化。
（2）应力幅 在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一次
(拉） max 0
max(1 k ) o
f
D
y
1 C(o,o) 1
式中：
B( 1, 1)
A
（
min
压
）
（
min
拉
）
非焊接结构的疲劳图
k o 1 , 1
(2 13) min
max
K---与构造形式有关的系数,由试验确定.
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 （构造类型的应力集中情况）有关。
应力幅对焊接结构的疲劳强度有很大影响，而与 名义最大应力σmax和应力比ρ无关。
（3）应力循环次数N（疲劳寿命）
应力幅越低，则作用循环次数
fy
就越多，即疲劳寿命越高。
1
2
b
N1 N2
0 1 2 3 4 5 6 NX105
应力循环次数N<5×104，不需要进行疲劳计算。
（一）常幅疲劳的疲劳强度计算
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 应力）、应力循环次数和应力幅有关。
（1）构件和连接的分类
材料内部缺陷 缺陷构造缺陷 应力集中
残余应力（焊接，火焰切割，轧制边）
（2）应力幅（Δσ）和应力循环特征（应力比ρ）
钢结构疲劳验算
钢结构疲劳验算简介钢结构疲劳验算是一项重要的工程计算任务，旨在评估钢结构在长期循环荷载作用下的疲劳寿命和可靠性。
钢结构在使用过程中会受到重复加载的作用，长期累积的应力可能导致材料疲劳失效。
因此，通过进行疲劳验算可以预测结构的寿命，并采取相应的措施以确保结构的安全可靠。
疲劳失效机制钢结构的疲劳失效是由于应力循环引起的，主要表现为以下几种机制：1.金属材料内部形成微小裂纹。
2.裂纹随着循环荷载逐渐扩展。
3.当裂纹长度达到临界值时，会导致突然失效。
这些疲劳失效机制需要通过合适的验算方法来评估和控制。
疲劳强度评估S-N曲线S-N曲线是描述材料在不同应力水平下经受循环荷载能力的曲线。
通常以应力幅与循环次数为坐标，绘制S-N曲线。
该曲线可以通过实验获取，也可以根据经验公式进行估算。
疲劳极限疲劳极限是指材料在无限循环次数下能够承受的最大应力水平。
超过疲劳极限的应力水平将导致材料疲劳失效。
等效应力等效应力是用于将不同类型的循环荷载转化为等效静态荷载的一种方法。
通过计算等效应力，可以将疲劳问题转化为静态强度问题进行评估。
疲劳验算方法基本步骤进行钢结构疲劳验算通常包括以下几个基本步骤：1.收集荷载数据：根据实际工况和设计要求，确定钢结构所受到的荷载情况。
2.计算等效应力：通过将循环荷载转化为等效静态荷载，计算出结构中各个部位的等效应力。
3.获取S-N曲线数据：根据材料特性和实验数据，获取相应的S-N曲线数据。
4.判断安全系数：比较结构中各个部位的等效应力与对应的S-N曲线，判断结构的疲劳安全系数。
5.提出措施：根据疲劳验算结果，提出相应的加固措施或改进设计。
疲劳寿命评估疲劳寿命是指结构在循环荷载作用下能够安全使用的时间。
通过对结构进行疲劳验算，可以评估结构的疲劳寿命，并采取相应措施延长其使用寿命。
常用的疲劳寿命评估方法包括：1.线性累积损伤法：将循环荷载作用下的等效应力与S-N曲线进行比较，计算出累积损伤程度，并根据安全要求判断结构的寿命。
钢筋疲劳计算
这部分要求大家掌握：影响疲劳强度的主要因素包括，应力幅，应力循环次数，结构构造细节（构造细节决定了应力集中程度，教材按照规范把不同的构造分成了8种类型），疲劳强度的计算。
疲劳破坏属于脆断。
GB50017-2003规定，小结如下：1、直接承受动力荷载重复作用的钢结构及其连接，当应力变化的循环次数n 等于或大于5万次时（美国规范是2万次），应进行疲劳计算；2、应力循环中不出现拉应力的部位，可不计算疲劳；3、计算疲劳时，应采用荷载的标准值；4、对于直接承受动力荷载的结构，计算疲劳时，动力荷载标准值不乘动力系数；5、疲劳计算应采用容许应力幅法，应力按弹性状态计算。
区分为常幅疲劳和变幅疲劳。
常幅疲劳计算如下：Δσ≤[Δσ]Δσ——对焊接部位为应力幅，Δσ=σmax -σmin对非焊接部位为折算应力幅，Δσ=σmax -0.7σminβσ/1][⎪⎭⎫ ⎝⎛=∆n C ，n ——应力循环次数；C 、β参数，查表确定。
6、规定不适用于特殊条件（如构件表面温度大于150℃，处于海水腐蚀环境，焊后经热处理消除残余应力以及低周-高应变疲劳条件等）下的结构构件及其连接的疲劳计算。
规范存在的问题：（1）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 σmax =140MPa 、σmin =-10MPa 和σmax =10MPa 、σmin =-140MPa 两种应力循环，Δσ都是150，按规范计算疲劳强度相同，显然不合理。
（2）螺栓受拉时，螺纹处的应力集中很大，疲劳强度很低，常有疲劳破坏的实例，但规范没有规定，应予补充。
【计算例题】某承受轴心拉力的钢板，截面为400mm ×20mm ，Q345钢，因长度不够而用横向对接焊缝如图所示。
焊缝质量为一级，焊缝表面加工磨平，。
钢板承受重复荷载，预期循环次数610=n 次，荷载标准值0,1365min max ==N kN N ，荷载设计值kN N 1880=。
浅谈钢结构桥梁的疲劳问题
浅谈钢结构桥梁的疲劳问题摘要：随着钢结构桥梁的疲劳问题的日趋突出，其疲劳设计问题也越来越得到重视。
在桥梁设计中，保证桥梁的安全性和耐久性是最根本的要求。
文中对目前应用广泛的钢结构桥梁的疲劳问题进行了探讨。
关键词：桥梁疲劳设计问题对策前言近年来，钢结构桥梁在我国公路桥梁中得到了越来越多的应用。
一方面，钢结构桥梁的疲劳问题日趋突出；另一方面，我国公路钢桥规范与英、美等国钢桥规范相比，在疲劳设计方面规定比较简单。
因此，在以我国桥梁疲劳设计经验为基础的同时，应参考一些国外规范，总结出适合我国交通行业的疲劳设计的有效方法。
一、钢结构桥梁的疲劳30年来，我国的公路桥梁及铁路桥梁建设得到了迅猛发展。
桥梁的结构体系多种多样，目前正在由传统的石拱桥、钢筋混凝土梁板式桥梁向现代的钢结构拱桥、斜拉桥以及悬索桥的趋势发展。
由于车辆载荷的随机性、超载以及运行的频繁性，钢结构桥梁的疲劳问题历年来备受关注。
和承载力和稳定性一样，疲劳是影响钢结构耐久性的主要因素之一。
由于构造细节不合理，在重复重载交通、风或是地震等交变荷载的作用下，钢结构由此产生疲劳裂纹，疲劳裂纹不断开裂，直至影响钢桥的使用，甚至断裂破坏。
为了避免钢结构桥梁发生疲劳破坏，必须在设计阶段就对疲劳问题进行细致的考虑。
二、钢结构桥梁疲劳特征的影响因素影响钢结构桥梁疲劳的因素有很多，归纳起来主要有以下3 种：1、结构的材料特性与疲劳有关的结构的材料特性主要有：钢材的性能、构件尺寸、结构的表面状况。
需要注意的是结构的疲劳性能随钢材强度的提高仅有微弱增加的趋势，所以由疲劳强度所控制的构件，采用强度较高的钢材是不经济的。
一般说来，构件的尺寸增加时疲劳强度降低。
疲劳裂缝源通常萌生于结构的表面，这主要是因为结构外表面的应力水平往往也最高，外表面的缺陷往往也最多和表面层材料的约束小，使得滑移带最易开动。
2、结构构造结构构造主要包括桥梁的结构形式、构件的连接形式和构造细节。
结构的制造和焊接工艺以及焊后处理工艺都对结构的初始应力分布和固有缺陷有较大的影响。
钢结构疲劳验算
钢结构疲劳验算
钢结构疲劳验算是指对钢结构在长期使用过程中由于重复荷载引起的疲劳破坏进行评估和验证的过程。
钢结构在长期使用过程中，往往经历多次荷载的重复作用，特别是动态荷载（如风荷载、地震荷载等），这些重复荷载可能导致结构发生疲劳损伤和破坏。
因此，进行疲劳验算是很有必要的。
钢结构疲劳验算通常包括以下几个步骤：
1. 确定设计寿命和使用条件：根据具体的工程需求和使用条件，确定钢结构的设计寿命和使用条件，包括荷载类型、频率和强度等。
2. 建立载荷历程：根据结构所受荷载类型和荷载频率，建立结构的荷载历程，包括动态荷载、静态荷载和温度荷载等。
3. 计算应力历程：根据载荷历程和结构的几何形状、截面尺寸和材料性能等，计算结构各个部位的应力历程，包括最大应力、最小应力、平均应力和应力幅等。
4. 疲劳寿命计算：根据应力历程，采用疲劳寿命计算方法（如S-N曲线法、应力范围法等），计算结构在设计寿命内的疲劳
寿命。
5. 疲劳强度验算：通过与结构的设计寿命进行比较，验证结构的疲劳强度是否满足要求，即结构在设计寿命内是否能够承受所受荷载的重复作用而不产生疲劳破坏。
在进行钢结构疲劳验算时，还需要考虑结构的材料性能、焊接接头的质量、构件的形状和连接方式等因素，并根据相关规范和标准进行计算和评估。
同时，还需要进行疲劳损伤监测和维护管理，以确保钢结构的安全可靠运行。
钢结构疲劳验算用设计值
钢结构疲劳验算用设计值
1、容许疲劳应力值
根据设计规范，容许疲劳极限应力σfm应计算为:
σfm=σbp/ ηf
其中，σbp为抗屈曲强度，按设计规范为抗拉强度δb的1/3；ηf
按设计规范取1.3～1.5
2、实测疲劳应力值
实测疲劳极限应力σfm应计算为:
σfm=σbp/ βf
其中，σbp为抗屈曲强度，按实测值；βf按设计规范取1.2～1.4
3、极限应力增量
疲劳应力增量Δσfm为实测极限疲劳应力减去设计极限疲劳应力的
差值。
Δσfm=σfM-σfm
4、设计值
按容许极限应力值的计算公式和实测值，设计值可以按下列公式计算：设计值=实测极限疲劳应力-极限应力增量
5、设计应力验算
a. 抗屈曲强度应大于设计值δbmin。
b. 预应力应大于设计值Pmin。
c. 抗拉强度应大于设计值σbmin。
d. 抗剪强度应大于设计值τbmin。
e. 抗扭转强度应大于设计值μbmin。
f. 折应力应大于设计值σdmin。
6、失效条件
若应力验算不满足设计条件，则需要重新设计构件，增强构件的承载能力；如果应力验算满足设计条件。
浅谈钢结构的疲劳计算
35科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald 建 筑 科 学钢结构的疲劳是微观裂纹在连续重复载荷作用下不断扩展直至最后达到临界尺寸时出现的突发性断裂破坏,破坏时塑性变形很小,因此,疲劳破坏属于没有明显变形的脆性破坏,有着较大的危险性。
钢结构的疲劳按照其断裂前的应变大小和应力循环次数可分为高周疲劳和低周疲劳。
车辆的断裂、压力容器破裂(压力的波动)、弹簧、传动轴等多属于高周疲劳。
其特征是应变小,应变循环次数多。
承受剧烈反复的载荷作用的杆件,例如:压力容器、燃气轮机零件等,也能使其产生疲劳,其应变大,循环次数少,故属于低周疲劳。
钢结构只考虑应变循环次数n ≥5×104次的高周疲劳,计算范围仅限于直接承受动力载荷重复作用的构件(如:吊车梁、吊车桁架、工作平台梁等)及其连接。
另外,由于高温和腐蚀环境的疲劳破坏机理及表达式与常温、无严重腐蚀的情况不一样,故在此要求结构环境应为常温,且无严重腐蚀作用。
在以往较长的时期,对钢结构的疲劳计算一直采用最大应力σm ax 或应变比σm i n /σm a x 准则,近年来,随着工程实践和实验技术的提高,逐渐认识到对焊接结构疲劳强度计算,应考虑残余应力的影响,其计算应采用应力幅准则。
即影响焊接结构疲劳强度的因素除应力集中和应力循环次数外,再就是应力幅Δσ=σm a x -σm i n ,而ρ和σm a x 对其并无明显影响。
1 疲劳计算《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)规定n ≥5×104为疲劳寿命底限,因此,对承受动力载荷重复作用的钢结构构件(如:吊车梁)及其连接,当应力变化的循环次数n ≥5×104次时,应进行高周疲劳计算。
由于现阶段对不同类型构件和连接的疲劳裂缝的形成、扩展以至于断裂这一全过程的极限状态研究不足,掌握的疲劳强度数据只是结构抗力表达式中的材料强度部分,故《规范》规定疲劳计算应采用容许应力幅法。
钢结构的疲劳分析
钢结构的疲劳分析钢结构的疲劳分析是关于钢结构在长期使用过程中可能出现的疲劳破坏情况进行研究和评估的过程。
疲劳破坏是一种多发性损伤，它发生在结构在交变载荷作用下经历了许多循环应力的情况下。
钢结构的疲劳分析对于确保结构的安全性和可靠性至关重要。
1. 疲劳破坏机理钢结构的疲劳破坏机理主要与材料的微观缺陷和外部载荷之间的相互作用有关。
在结构受到交变载荷作用时，应力集中可能导致应力水平超过了材料的疲劳极限，从而引发微裂纹的形成和扩展。
随着载荷的循环应用，微裂纹逐渐扩展并最终导致结构的疲劳破坏。
2. 疲劳分析方法疲劳分析一般可以通过以下几种方法进行：2.1 应力范围法：应力范围法是最常用的一种疲劳分析方法。
它基于SN曲线（也称为疲劳寿命曲线），将钢结构在不同应力范围下的疲劳寿命进行了实验和统计，从而用于预测结构在实际工况下的寿命。
这种方法可以通过确定应力范围大小和应力周期的次数来进行结构疲劳寿命的评估。
2.2 线性累积损伤法：线性累积损伤法是一种基于线性累积损伤理论的疲劳分析方法。
它通过考虑结构在交变载荷下的应力历程和应变历程，计算结构在不同工作年限下的累积疲劳损伤，从而评估结构的寿命。
这种方法更加精确，可以对结构在复杂工况下的疲劳性能进行更全面的考虑。
3. 影响疲劳寿命的因素疲劳寿命不仅取决于材料的性能，还受到多种因素的影响。
下面是一些影响疲劳寿命的因素：3.1 材料强度和硬度：材料的强度和硬度直接影响材料的抗疲劳性能。
通常情况下，强度越高、硬度越大的材料，其抗疲劳性能越好。
3.2 表面处理：合适的表面处理可以提高钢结构的抗疲劳性能。
例如，表面喷涂防腐处理、防锈涂层等可以减轻外部环境对钢结构的腐蚀和疲劳破坏。
3.3 组织结构和缺陷：材料的组织结构和缺陷对疲劳性能有显著影响。
粗大晶粒、裂纹、夹杂物等缺陷都会降低钢结构的抗疲劳性能。
4. 钢结构疲劳分析的工程应用钢结构疲劳分析在工程实践中有着广泛的应用。
它可以用于计算结构的疲劳寿命，从而指导结构设计和维护。
钢结构疲劳计算
b 值。疲劳强度条件为
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（6－7）
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3
例
6－9
一焊接箱形钢梁，在跨中截面受
到Fmin=10 kN和Fmax =100 kN 的常幅交变荷载作用，跨中截面
对其水平形心轴z的惯性矩 Iz=68.5×10-6 m4。该梁由手工焊接
而成，属4类构件，若欲使构件在服役期限内，能承受2×106次 交变荷载作用。试校核其疲劳强度。
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（2）
设想有常幅Dse作用Sni次，使构件产生疲劳破坏，有
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（3）
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式中，Dse为等效应力幅。
8
把（2）式代入（1）式，
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得
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（4）
将（4）式代入（3）式，得
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（6－9）
式中，分子中的ni 为应力水平为Dsi 时的实际循环次数，分母 中的Sni为预期使用寿命。疲劳强度条件为
（6－5a） （6－5b）
或写成
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lg N1 lg N2
lg N
式中，b, a 为有关的参数。
2
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引入安全因数后，得许用应力幅为
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（6－6）
式中，C, b 是与材料、构件和连接的种类及受力情况有关
的参数。钢结构设计规范中，将不同的受力情况的构件与连接 分为8类（书表6－2）。表6－1中给出了Q235钢8个类别的C，
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（6－8）
9
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第六章完
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解：1. 计算跨中截面危险点a点）的应力幅
钢结构的疲劳计算方法为容许应力法
钢结构的疲劳计算方法为容许应力法嘿，咱今儿个就来唠唠钢结构的疲劳计算方法——容许应力法。
你说这钢结构啊，就像咱身体里的骨头，得结实，还得经得住折腾。
那怎么知道它能不能经得住呢？这就得靠这容许应力法啦！想象一下，钢结构就像是一位在战场上冲锋陷阵的勇士，而疲劳就是那看不见的敌人，随时准备给它来一下子。
这容许应力法呢，就是给这位勇士穿上了一层坚固的铠甲，让它能更好地抵御疲劳这个敌人的攻击。
这方法说起来也不复杂，就是通过一系列的计算和分析，来确定钢结构在承受各种应力和循环荷载时，能不能保持安全可靠。
就好比咱每天上班上学，得知道自己能不能承受住那一天天的忙碌和压力，对吧？咱来具体瞅瞅，它得先搞清楚钢结构所承受的应力大小和变化情况。
这就跟咱了解自己每天的工作量一样，心里得有个数呀。
然后呢，根据这些信息，再结合一些经验公式和数据，来判断这个钢结构是不是能在这种情况下安然无恙。
要是这计算结果说行，那就好比咱身体倍儿棒，吃嘛嘛香，可以放心大胆地去干事儿。
可要是不行呢，那咱就得赶紧想办法啦，要么给它加固，要么换个更厉害的钢结构来。
你看那些高楼大厦、大桥啥的，为啥能稳稳地立在那儿？可不就是因为有这容许应力法在背后默默守护嘛！它就像一个幕后英雄，虽然咱平时可能不太注意到它，但它的作用那可真是大大的呀！咱普通人可能觉得这玩意儿离咱挺远，可实际上呢，它和咱的生活息息相关。
没有它，那些重要的建筑、设施说不定哪天就出问题啦，那多吓人呐！所以说呀，这钢结构的疲劳计算方法——容许应力法，可真是个了不起的东西。
它让我们的生活更有保障，让那些钢结构能更好地为我们服务。
咱可得好好感谢它，不是吗？总之，这容许应力法就像是钢结构的保护神，默默地守护着它们的安全和稳定。
让我们能安心地在这些钢结构搭建的世界里生活、工作和玩耍。
咱可别小瞧了它哟！。
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浅谈钢结构的疲劳计算
摘要:在钢材的疲劳破坏中提到影响疲劳强度的主要因素是应力集中,而这个因素同样也是影响钢结构和钢构件疲劳强度的主要因素。
本文重点介绍了疲劳的产生机理以及疲劳的分类,并通过案例较为详细的介绍了疲劳验算的基本计算过程。
关键词:连续反复荷载疲劳计算循环次数欠载效应系数
钢结构的疲劳是微观裂纹在连续重复载荷作用下不断扩展直至最后达到临界尺寸时出现的突发性断裂破坏,破坏时塑性变形很小,因此,疲劳破坏属于没有明显变形的脆性破坏,有着较大的危险性。
钢结构的疲劳按照其断裂前的应变大小和应力循环次数可分为高周疲劳和低周疲劳。
车辆的断裂、压力容器破裂(压力的波动)、弹簧、传动轴等多属于高周疲劳。
其特征是应变小,应变循环次数多。
承受剧烈反复的载荷作用的杆件,例如:压力容器、燃气轮机零件等,也能使其产生疲劳,其应变大,循环次数少,故属于低周疲劳。
钢结构只考虑应变循环次数n≥5×104次的高周疲劳,计算范围仅限于直接承受动力载荷重复作用的构件(如:吊车梁、吊车桁架、工作平台梁等)及其连接。
另外,由于高温和腐蚀环境的疲劳破坏机理及表达式与常温、无严重腐蚀的情况不一样,故在此要求结构环境应为常温,且无严重腐蚀作用。
在以往较长的时期,对钢结构的疲劳计算一直采用最大应力σmax或应变比σmin/σmax准则,近年来,随着工程实践和实验技术的提高,逐渐认识到对焊接结构疲劳强度计算,应考虑残余应力的影响,其计算应采用应
力幅准则。
即影响焊接结构疲劳强度的因素除应力集中和应力循环次数外,再就是应力幅Δσ=σmax-σmin,而ρ和σmax对其并无明显影响。
1 疲劳计算
《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)规定n≥5×104为疲劳寿命底限,因此,对承受动力载荷重复作用的钢结构构件(如:吊车梁)及其连接,当应力变化的循环次数n≥5×104次时,应进行高周疲劳计算。
由于现阶段对不同类型构件和连接的疲劳裂缝的形成、扩展以至于断裂这一全过程的极限状态研究不足,掌握的疲劳强度数据只是结构抗力表达式中的材料强度部分,故《规范》规定疲劳计算应采用容许应力幅法。
因此在验算时应去重复作用的活载荷的标准值按照弹性工作计算应力幅,而不计永久载荷,因后者产生的应力值不变,没有应力幅。
在计算时不计吊车动力系数,应按实验结果确定的容许应变幅中已包含了动力的影响。
疲劳计算的部位一般为受拉区应力集中比较突出处,对全压应力循环区可不做验算,因为此种部位即使出现裂纹也不易继续扩展。
疲劳计算分常幅计算和变幅计算,钢结构的疲劳计算属于后一种情况,但后一种变幅疲劳计算的方法是以理想的常幅疲劳计算为基础的。
a)常幅疲劳计算:系指重复作用的载荷值不随时间随机变化,可以近似视为常量,因而在所有的应力循环次数内的应力幅恒等,即:Δσ=σmax-σmin=(常量),故在疲劳计算时,若使构件或连接计算部位的应力幅Δσ不超过按该部位所属类别(参见《钢结构设计规范》GB
50017-2003[略])和预期的应力循环次数所确定的常幅疲劳容许应力幅[Δσ],也就是通称的应力幅准则。
Δσ≤[Δσ]=(c/n)1/β
式中:
Δσ——对焊接部位为应力幅,Δσ=σmax-σmin;对非焊接部位为折算应力幅,Δσ=σmax-0.7σmin;
σmax——计算部位每次应力循环中最大拉应力(取正值);
σmin——计算部位每次应力循环中最小拉应力或压应力(拉应力取正值,压应力取负值);
[Δσ]——长幅疲劳的容许应力幅(N/mm2);
n——应力循环次数;
c、β——参数,按照构件和连接类别,表1采用。
b)变幅疲劳计算:实际中的构件或连接所承受的重复荷载,大部分均具有随机性的变幅性质(如:承受吊车荷载的吊车梁),其承受的每次荷载循环都不一定相同,换言之,即其应力幅不是每次都会达到最大值,而是处于欠载状态。
但前述常幅疲劳计算采用的应力幅准则却是基于常幅疲劳试验指定的,显然,若不是大部分应力循环的应力幅都达到最大值,将变幅疲劳也按Δσ=σmax-σmin的常幅疲劳进行计算是偏于保
守,不够经济合理的。
c)鉴于上述情况,变幅疲劳是采用应力幅准则计算时应考虑欠载状态这一因素,按结构和连接在预期的疲劳寿命期间各种荷载的频率分布、应力幅水平以及频次分布总和所构成的设计应力谱,将其折算成等效常幅疲劳,按照下式计算:
Δσe≤[Δσ]
式中:
Δσe——变幅疲劳的等效应力幅,按下式确定;
Δσe=[Σni(Δσi)β/Σni]1/β
Σni——以应力循环次数表示的结构预期使用寿命(疲劳寿命);
ni——预期寿命内应力幅水平达到Δσi的应力循环次数;
对于重级工作制的吊车梁和重级、中级工作制的吊车桁架的疲劳计算,《规范》采用了简化的方法,将其折算成变幅疲劳按下式计算: αf.Δσ≤[Δσ]2×106
式中:Δσ——变幅疲劳应力谱中最大应力幅,即;(Δσ)max;
αf——欠载效应的等效系数,按表2采用;
[Δσ]2×106——循环次数n为2×106次的容许应力幅,按表1采用;
欠载效应等效系数αf(表2)数值系数按n为2×106次折算而得,故容许应力幅采用[Δσ]2×106。
2 案例分析
例:一简直吊车梁,跨度为12m,钢材为16Mn,承受两台起重能力500/100KN重级工作制软钩吊车作用,n＞105,为了用高强度螺栓连接下翼缘水平支撑,在工字型截面吊车梁的下翼缘板上有螺栓孔,吊车梁在吊车的标准荷载作用下(未考虑自重作用),螺栓孔附近主体金属(1点),下翼缘板与腹板连接焊缝附近的主体金属(2点)以及横向加劲肋端部(采用回焊,不断弧)附近的主体金属(3点)的最大应力分别是σ1=100N/mm2,σ2=97N/mm2,σ3=90N/mm2(如图1所示),试做疲劳验算。
(自重产生在各点的应力为σ1’=5N/mm2,σ2’,σ3’) 解:根据疲劳计算的构件和连接分类参见《钢结构设计规范》GB 50017-2003),查得:点1处属于第2类,点2处属于第3类(手工焊,焊缝质量符合二级标准),点3处属于第4类。
相应的容许应力幅可以从表1中查得:
1点:[Δσ]n=2×106=144N/mm2;2点:[Δσ]n=2×106=118N/mm2;3点:[Δσ]n=2×106=103 N/mm2;
欠载效应的等效系数αf可由表2中差得:αf=0.8,由于吊车梁自重
引起的应力始终不变,螺栓孔附近1点的应力σ1’=5N/mm2。
2和3点均为焊接部位,梁自重产生的应力大小对计算应力幅的大小没有影响,故按一下公式计算:
1点:Δσ=σmax-0.7σmin=(100+5)-
0.7×5=101.5N/mm2;
αf.Δσ=0.8×101.5=81.2N/mm2≤[Δσ]n=2×106=144N/mm2;
2点:Δσ=σmax-σmin=(σ2+σ2’)-σ2’=σ2=97N/mm2;
αf.Δσ=0.8×97=78N/mm2≤[Δσ]n=2×106=118N/mm2;
3点:Δσ=σmax-σmin=(σ3+σ3’)-σ3’=σ3=90N/mm2;
αf.Δσ=0.8×90=72N/mm2≤[Δσ]n=2×106=103N/mm2;
满足要求。
3 结语
综上所述,要保证结构在交变载荷作用下的安全,就必须通过疲劳验算得到疲劳安全的理论依据。
另外,影响钢结构的疲劳因素除此之外,还要在实际的设计中避免出现截面突然改变而产生应力集中的问题,例如:梁与柱的连接节点、柱脚、梁和柱的变截面处等削弱处的设
计。
同时,在钢结构焊接施工过程中还要控制好焊缝外形及其缺陷对结构疲劳的影响因素,再者就是结构和构件中的残余应力以及结构和构件所处的环境等都会对其疲劳强度有影响。
因此,在结构或构件设计过程中,必须同时考虑上述各条件对疲劳的影响,不能单纯从设计的方面考虑疲劳。
参考文献
[1]钢结构设计规范.GB 50017-2003(附条文说明).
[2]钢结构(建筑机械专业用).中国建筑工业出版社.1981.
[3]马奇光.材料力学.水利电力出版社.1993,06.。