疲劳设计与中外规范介绍.

疲 一、疲劳概念 劳
疲劳荷载及疲劳分类
高周疲劳 行动活荷载
：结构应变小，破坏前循环次数多
低周疲劳 地震作用
：结构应变大，破坏前循环次数小

疲劳破坏经历三个阶段：
裂纹的形成 裂纹的缓慢扩展 最后迅速断裂
疲 一、疲劳概念 劳
四个术语
疲劳强度 疲劳极限 疲劳寿命 S-N曲线：
疲 一、疲劳概念 劳
பைடு நூலகம்
安全寿命设计计算流程
疲 二、疲劳设计 劳
2.1疲劳设计方法
疲劳设计程序：
预测整个设计寿命期间完整的荷载序列-荷载谱； 计算荷载下结构应力状态； 绘制各类细部构造的疲劳曲线； 根据疲劳检算原则进行疲劳设计。
疲 二、疲劳设计 劳
2.2应力比准则与应力幅准则
应力比准则
对于一定的荷载循环次数，构件（或构造细节）的疲劳强度 max 和以应力比 为代表的应力循环特征密切相关。对 max 引进安全系 数，即可得到设计用的疲劳应力容许值 max TJ17-74规范所规定的疲劳容许应力计算公式：
图3.1 应力幅与循环寿命的关系
疲 二、疲劳设计 劳
2.2应力比准则与应力幅准则
应力幅准则 如 lg n 符合正态分布，则构件或连接的疲劳强度的保 证率为97.7%，称该虚线上的应力幅为对应某疲劳寿 命的容许应力幅
C n
1/
式中，C、 均为不同构件和连接类别的试验参数，表3.1。
钢结构疲劳特征的影响因素： 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。钢材强度影 响较小。
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。
结构的外部因素
主要有结构所处的环境以及外界荷载作用产生的应力幅值和循环 次数。
疲 一、疲劳概念 劳
疲劳断裂破坏的严重性:
p 0 p 1 k
max
疲 二、疲劳设计 劳
2.2应力比准则与应力幅准则
应力幅准则
对于焊接结构，控制焊接结构疲劳寿命最主要的因素是构件和连接的 与疲劳寿命n 构造类型和应力幅 max min ，而非应力比。应力幅 之间呈指数为负数的幂函数关系
疲 三、各国钢结构规范比较 劳
欧洲钢结构设计规范 （Eurocode 3: Design of steel
structures )
名义应力幅疲劳强度曲线由下列公式得到见图4.1：
m m 6 R N R c 2 10 m m 6 R N R D 5 10
4
疲 三、各国钢结构规范比较 劳
欧洲钢结构设计规范 （Eurocode 3: Design of steel
structures )
欧洲EN 1993钢结构设计规范采用破损容限设计法（damage tolerant method）和安全寿命法（safe life method）进行疲劳评定。规 范附录给出了疲劳评定方法选择和分项系数 的数值。 推荐值见 Mf Mf 表4.1。
疲 一、疲劳概念 劳
疲劳断裂破坏的严重性:
美国Point Pleasant（Silver）Bridge
疲 一、疲劳概念 劳
疲劳断裂破坏的严重性:
钢箱梁桥破坏
1969 年11月至1971年11月，时间只是两年，接连有维也纳多瑙河第四
桥、英国米尔福港箱形钢梁桥、墨尔本亚拉河西门桥和月科布伦茨箱梁 桥共4座钢箱梁大桥在施工阶段出了事。
疲劳设计与中外规范介绍
湖南大学 张东波 2011年3月 列出一个提纲
疲 一、疲劳概述 劳
什么是疲劳
即在最大值低于材料静屈服强度的重复或波动张 应力作用下形成的渐进、局部和永久性的结构损伤
疲劳破坏必要条件
存在拉应力；应力反复；产生塑性变形。
疲劳和脆性断裂破坏的区别
都为脆性断裂，但疲劳裂纹出现到断裂有相当一段 稳定发展期。
对待非焊接构件，GB50017规范一律取有效应力幅：
max 0.7 min
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2.3构造细节分类和应力循环次数
GB50017规范在疲劳计算中把构件和连接按 连接方式、受力特点、疲劳容许应力幅分为八 类。图3.2给出了容许应力幅随疲劳寿命N变化 的情况。对应于疲劳寿命为200万次的容许应 力幅见表3.2。
(1)纵肋边缘用角焊缝连于面板的构造；
(2)纵肋对横梁的连接；
(3)纵肋的对接： (4)横梁对桥面板的焊接； (5)箱梁腹板对面板的焊接； (6)桥面板的对接焊。
疲 二、疲劳设计 劳
2.1疲劳设计方法
无限寿命法 安全寿命法 破损-安全法 损伤容限设计 耐久性设计
N 5 106时，
m3
5 106 N 108时，m 3
常幅疲劳极限
2 D c 0.737 5
1/3
截断极限
5 L D 0.549 D 100
1966 年建成的英国塞文桥在开通5年即发现几处疲劳开裂 我国1997年建设开通的广东虎门大桥2003年开始不断出现疲劳裂纹
疲 一、疲劳概念 劳
疲劳断裂破坏的严重性:
虎门大桥钢桥面板疲劳裂纹实况
疲 一、疲劳概念 劳
疲劳断裂破坏的严重性:
需要考虑疲劳的正交异性钢桥面板6种构造：
疲 二、疲劳设计 劳
图3.2 容许应力幅 表3.2疲劳寿命 2 10 次的容许应力幅
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疲 三、各国钢结构规范比较 劳
中美欧钢结构疲劳设计的比较：
中国国家标准- 钢结构设计规范(GB50017- 2003)
适用于直接承受和在重复作用、应力变化循环次数n 大于5 10 次的构件和连接在一般条件下的高周疲劳。 疲劳计算采用了荷载标准值, 按允许应力幅计算方法 来验算钢结构构件和连接的疲劳强度。对于非焊接结 构构件则采用折算应力幅计算 构件分为8 个分类, 考虑了以下主要连接形式: 高强度 螺栓摩擦型连接、 连孔构件、 翼缘焊缝、 横向加劲 肋、 横向角焊缝连接和节点板连接。 对于公路和城市道路桥梁，我国规范还没有制定疲劳 设计的车辆荷载谱。