钢结构构件及其连接的疲劳计算
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。
钢材的疲劳
材料的S/N曲线有三种方法可以得到： a) 手册、规范或文献 疲劳试验 b) 疲劳试验 lg c) 经验公式 由材料的S/N曲线到构件的S/N曲线，还需根据应力集中效应、尺寸效应、表面效应进行折减n 验算—由应力幅的分类进行区别
Δσ—已折减后的应力循环中的最大拉应力
和最小拉应力或压应力的差值（拉取正，压 取负）
6
2、影响因素
疲劳寿命（N）
疲劳失效时所经受的应力或应变的循环次数，疲劳计算时通常不考虑疲劳荷载的
施加时间，而仅以循环次数为计算依据。
一些疲劳基本概念:
最大应力σmax
最小应力σmin 应力范围Δ σ=σmax- σmin
应力幅σa=( σmax- σmin)/2= Δ σ/2
平均应力σm=( σmax+ σmin)/2 应力比R=σmin/σmax 循环特征
如：有些钢结构加固后，会对已出现疲劳裂纹有抑制扩展的作用，使之出现还会经历比较长的荷载循环次 数，因此《钢结构设计规范》GB50017—2003中的S—N曲线会远远低估这种钢结构的疲劳寿命。
《钢结构设计规范》GB50017—2003中的8类曲线是根据完好的结构试件的疲劳试 验结果得到的，对于存在疲劳损伤的钢结构不适用。但对于既有的钢结构，都存在 一定程度的损伤，因此曲线不宜被采用。 凡是改变已有的应力环境或措施，结构构造将无法使用《钢结构设计规范》 GB50017—2003中的数据和结果，对于现在多变的环境下的构造疲劳问题的研究 造成局限和困难。
2、影响因素
一般来说，应 力(应变)幅是影 响疲劳寿命的决 定因素
由于变动载荷和应变是导致疲劳
破坏的外动力，所以应该先进行 了解。变动载荷是指载荷大小，
甚至方向随时间变化的载荷。变
第6章结构件及连接的疲劳强度计算原理分解
第6章结构件及连接的疲劳强度随着社会生产力的发展，起重机械的应用越来越频繁，对起重机械的工作级别要求越来越高。
《起重机设计规范》GB/T 3811-2008规定，应计算构件及连接的抗疲劳强度。
对于结构疲劳强度计算，常采用应力比法和应力幅法，本章仅介绍起重机械常用的应力比法。
6.1 循环作用的载荷和应力起重机的作业是循环往复的，其钢结构或连接必然承受循环交变作用的载荷，在结构或连接中产生的应力是变幅循环应力，如图6-1所示。
起重机的一个工作循环中，结构或连接中某点的循环应力也是变幅循环应力。
起重机工作过程中每个工作循环中应力的变化都是随机的，难以用实验的方法确定其构件或连接的抗疲劳强度。
然而，其结构或连接在等应力比的变幅循环或等幅应力循环作用下的疲劳强度是可以用实验的方法确定的，对于起重机构件或连接的疲劳强度可以用循环记数法计算出整个循环应力中的各应力循环参数，将其转化为等应力比的变幅循环应力或转化为等平均应力的等幅循环应力。
最后，采用累积损伤理论来计算构件或连接的抗疲劳强度。
6.1.1 循环应力的特征参数(1) 最大应力一个循环中峰值和谷值两极值应力中绝对值最大的应力，用c max表示。
(2) 最小应力一个循环中峰值和谷值两极值应力中绝对值最小的应力，用c min表示。
(3) 整个工作循环中最大应力值构件或连接整个工作循环中最大应力的数值，用：？max表示。
(4) 应力循环特性值一个循环中最小应力与最大应力的比值，用r二三皿表示。
□max(5) 循环应力的应力幅一个循环中最大的应力与最小的应力的差的绝对值，用二表示。
（6）应力半幅一个循环中最大的应力与最小的应力的差的绝对值的一半，用（7）应力循环的平均值一个循环中最大的应力与最小的应力的和的平均值，用max :min）/2 r ） :max /2:二m 表示。
6.1.2 应力循环特性值的计算构件或连接单独或同时承受正应力 与最小应力比值称为循环特性值，用r x -、x min ： xmaxry、_ y min 、- y max「xy —可 xym in /可xy max匚X 、二y ）和剪应力（.xy ）作用，其最大应力 ry 、「xy 表示，按式（6-1 ）计算。
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=。
钢结构疲劳计算.ppt
（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。
No Image
（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
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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
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2. 确定[Ds ]，并校核疲劳强度
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从表中查得 C =2.18×1012，b =3，
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显然
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5
Ⅱ. 变幅疲劳（应力幅不是常量，如图）
若以最大应力幅按常幅疲劳 计算，过于保守。当应力谱已知 时，可用线性累积损伤法则，将 变幅疲劳折算成常幅疲劳。
Ds
Dsk Dsi Ds1 Nk Ni N1
钢结构疲劳分析
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；
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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
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
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。
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）
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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)
p
对于我国采用的是TJ17-74中的疲劳容许应力计算公式：
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。
2023年注册结构工程师-专业考试(二级)考试备考题库附带答案4
2023年注册结构工程师-专业考试（二级）考试备考题库附带答案第1卷一.全考点押密题库(共50题)1.(单项选择题)(每题 1.00 分) 试问，直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数n等于或大于下列何项数值时，应进行疲劳计算？A. 104次B. 3x104次C. 5x104次D. 103次正确答案：C,2.(单项选择题)(每题 1.00 分)顶层1—1截面梁端有梁垫时的受压承载力计算值（kN），与下列何项数值最接近？（已知e＝81.8mm。
）（）A. 402B. 278C. 335D. 378正确答案：B,3.(单项选择题)(每题 1.00 分)某回填土经夯实后取土样做试验，环刀的容积为200cm3，土重为3.68N；从环刀内取出0.294N，烘干后测得干土重为0.252N。
1.土的干重度γd最接近于（）kN/m3。
B. 15.8C. 16.2D. 18.4正确答案：B,4.(单项选择题)(每题 1.00 分)下列关于正常使用状态下裂缝和挠度的说法何项不妥？（）[2014年真题]A. 增加受拉钢筋直径（面积保持不变），是受弯构件减少受力裂缝宽度最有效的措施之一B. 预应力混凝土受弯构件，为考虑预压应力长期作用的影响，可将计算的反拱值乘以增大系2.0C. 对承受吊车荷载但不需作疲劳验算的受弯构件，其计算求得的最大裂缝宽度可予以适当折减D. 受弯构件增大刚度最有效的措施之一是增大构件的截面高度正确答案：A,5.(单项选择题)(每题 1.00 分)某钢筋混凝土柱的截面尺寸300mm×500mm，柱计算长度l0＝6m，轴向力设计值N＝1300kN，弯矩设计值M＝253kN·m。
采用混凝土强度等级为C20，纵向受力钢筋采用HRB335级。
2.若已知ξ＝0.829，对称配筋，则As应为（）mm2。
A. 1972B. 2056C. 2306D. 2496正确答案：C,6.(单项选择题)(每题 1.00 分) 门式刚架屋面水平支撑采用张紧的十字交叉圆钢支撑，假定其截面满足抗拉强度的设计要求。
钢结构第2讲
2. 焊接结构的疲劳
通过大量试验研究表明，控制焊接结构疲劳寿命最主要的因素是构件 和连接的类型、应力幅Ds以及循环次数n，而与应力比无关。 焊缝部位存在残余拉应力，通常达到钢材的屈服点fy ，该处是产生和 发展疲劳裂纹最敏感的区域。
用轧钢机将钢锭轧成钢胚，再通过一系列不同形状和 孔径的轧机，轧成所需形状和尺寸的钢材。 钢材的热轧成型，压密钢的晶粒，改善钢的材质。 薄的钢材，辊轧次数多，压缩比大，因而屈服点及伸长 率均大于厚板。
钢材的力学性能按板厚或直径分组。
结构用钢的种类、选用及规格
钢的种类
脱氧程度 沸腾钢 镇静钢 半镇静钢 特殊镇静钢
n=2×106的容许应力幅值
1.0 0.8 0.5
连接形式类别
[]n=2×106
1
2
3
4
5
90
6
78
7
69
8
59
N/mm2 176 144 118 103
疲劳破坏中一些值得注意的问题
（1）疲劳验算采用的是容许应力设计法，而不是以概率论为基础的设计
方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂，目前还没 有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研究。 （2）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，不必进行疲劳计算。 （3）国内外试验证明，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影 响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。 （4）提高疲劳强度和疲劳寿命的措施 （ａ）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中；
y
应力比：
min max
公路钢结构桥梁设计规范JTGD构件设计疲劳
(D.0.2-2)
Nty ——计算车道所在行车方向上的年总交通量（预测年）； p——重车在总交通量中所占的比率，当无可靠数据时可参考表D.0.2取值；
j——在该行车方向上慢车道与主车道数量和。
交通等级
表D.0.2 重车数量占总交通量的比率p
1 港口、矿区等以货运为主功能的高速公路或一级公路
80%
2 其它高速公路或一级公路
g
交通流量，系数g2
g2
=
Q0 480
Nly 0.5106
1
5
Q0——疲劳荷载模型车总重，模型II为445kN；模型III为480kN
Nty——慢车道或主车道的重车(总重大于10吨)年交通量（预测年），应通过对近 似交通状态道路进行交通调查得到，当无可靠数据时可参考下式计算：
Nly
0.95pNy j
40%
3 二级公路
20%
4 三、四级公路
10%
5.5.5(5.5.6) 有限疲劳寿命设计方法（疲劳荷载计算模型II, III）
g
设计寿命，影响系数g3
g3 tLD /10015 tLD——构件的设计使用寿命(年)
多车道效应系数g4
➢ 疲劳荷载计算模型II
g h h h h h h 4 1N N 1 2 1 2 5 N N 1 j 1 j 5 N N 1 k 1 k 5 1/5
N
L
D
NNCC21(mm2)
D D L
L
N
L
m 和C1、C2均为常数。D称为“常幅疲劳极 限”；L称为“截止极限” ，钢结构m≈3
Nc=2×106
ND
疲劳曲线示意图
NL ogN
影响因素：钢材种类、构造细节、加工制作方法、应力状态、细节的初始缺 陷与残余应力、应力集中程度 、
疲劳计算与吊车梁设计(精品
容许应力幅是根据大量实验资料经统计分析提出。 图中各黑点是对某一构件或连接所得的试验点，表示应力幅
和致损循环次数的关系，实线为统计平均值直线，所得容许应力幅的保证率 为50%;虚线为从统计平均值直线减去2倍的标准差得到，所得容许应力幅的 保证率为97.7%
（3）变幅疲劳计算
• 可将变幅疲劳折算为等效的常幅疲劳，然后按常幅疲劳检算式检算。按 下式进行计算
• 研究表明：焊缝附近真实应力比的大小取决于应力幅的大小
f y
• 通过大量试验研究表明，控制焊接结构疲劳 • 寿命最主要的因素是构件和连接的类型、 • 应力幅以及循环次数n，而与应力比无关。
f y f y
f y
f
f
y
y
10.2疲劳计算
• 我国规范疲劳计算采用容许应力幅方法，采用荷载标准值， 应力按弹性状态计算
(1)荷载设计值作用下的静力强度验算
1) 构件的抗拉强度 2）角钢背角焊缝的强度 3）角钢趾尖角焊缝的强度
（2）疲劳计算
1）侧面角焊缝端部主体金属（角钢）的疲劳 2）角钢背角焊缝的疲劳 3）角钢趾尖角焊缝的疲劳
本题的构件和连接，其静力强度和疲劳强度都满足要求。
10.5吊车梁的设计要点
一、吊车梁的荷载 二、吊车梁截面的组成及验算
（2）疲劳破坏的模式
• 钢结构中总是存在裂纹，如焊缝中的微观裂纹、孔洞、夹渣等缺陷； 非焊接结构中的冲孔、剪边、气割等也存在微观裂纹。
• 在多次重复荷载作用下，微细裂痕缓慢扩展，最后发展到削弱了原有 截面，使构件或连接因净截面强度不足而突然破坏。
在疲劳断口截面上，可以发现存在 以某点为中心、向外扩展呈半椭圆状 的光滑区和余下的粗糙区。
（1）疲劳计算的条件：我国钢结构设计规范GB50017-2003中 规定凡构件或其连接的应力变化循环次数n≥5万次，均应对其 进行疲劳计算
第6章结构件及连接的疲劳强度计算原理分解
148第6章 结构件及连接的疲劳强度随着社会生产力的发展，起重机械的应用越来越频繁，对起重机械的工作级别要求越来越高。
《起重机设计规范》GB/T 3811-2008规定，应计算构件及连接的抗疲劳强度。
对于结构疲劳强度计算，常采用应力比法和应力幅法，本章仅介绍起重机械常用的应力比法。
6.1 循环作用的载荷和应力起重机的作业是循环往复的，其钢结构或连接必然承受循环交变作用的载荷，在结构或连接中产生的应力是变幅循环应力，如图6-1所示。
起重机的一个工作循环中，结构或连接中某点的循环应力也是变幅循环应力。
起重机工作过程中每个工作循环中应力的变化都是随机的，难以用实验的方法确定其构件或连接的抗疲劳强度。
然而，其结构或连接在等应力比的变幅循环或等幅应力循环作用下的疲劳强度是可以用实验的方法确定的，对于起重机构件或连接的疲劳强度可以用循环记数法计算出整个循环应力中的各应力循环参数，将其转化为等应力比的变幅循环应力或转化为等平均应力的等幅循环应力。
最后，采用累积损伤理论来计算构件或连接的抗疲劳强度。
6.1.1 循环应力的特征参数 (1) 最大应力一个循环中峰值和谷值两极值应力中绝对值最大的应力，用max σ表示。
(2) 最小应力一个循环中峰值和谷值两极值应力中绝对值最小的应力，用min σ表示。
(3) 整个工作循环中最大应力值构件或连接整个工作循环中最大应力的数值，用max ˆσ表示。
(4) 应力循环特性值一个循环中最小应力与最大应力的比值，用minmaxr σσ=表示。
(5) 循环应力的应力幅一个循环中最大的应力与最小的应力的差的绝对值，用σ∆表示。
149,r i i N σ-曲线max min max (1)r σσσσ∆=-=-(6) 应力半幅一个循环中最大的应力与最小的应力的差的绝对值的一半，用a σ来表示。
max min /2a σσσ=-(7) 应力循环的平均值一个循环中最大的应力与最小的应力的和的平均值，用m σ表示。
钢结构构件及连接设计
钢结构构件及连接设计普通钢构件轴心受压构件应进行可靠性验算。
稳定承载力按构件的毛截面计算，并应按截面两个主轴也须方向分别进行验算;对截面形心与剪切中心形变不分野的构件，应验算弯扭屈曲承载力;抗衡扭刚度较弱的构件，尚应验算扭转屈曲承载力。
当可能发生局部屈曲之时，应考虑局部屈曲对整体屈曲承载力的景响。
格构式轴心受压构件中柱肢屈曲不应先于构件整体失稳。
实腹式轴心受压构件承载力计算中，当不允许板件局部屈曲时，板件的局部属曲不应先于构件的整体失稳;当允许板件局部屈曲前一天，应考虑局部屈曲对截面强度和整体失稳的影响;三边支承板件不应利用屈曲后强度。
→受弯玻璃钢截面的弯曲应力、剪切应力不斜率应大于相应的强度设计绝对值。
对于承受集中荷载的受弯构件，应考虑局部压应力的影响。
对侧向弯扭未受约束的受弯构件，应验算其侧向弯扭失稳承载力;在构件约束端及内支座处应采取措施保证截面内能不发生扭转。
拉弯、压弯构件应验算轴力和指导作用弯矩共同作用下的截面强度，验算时截面几何特性应按净截面面积和净模量计算。
4.1.6压弯构件必须确保在压力和弯矩共同作用下的整体稳定性。
拉弯构件当拉力很小而弯矩相对较大时，应防止发生整体粘滞性。
冷弯钢构件轴心受拉构件和以受拉为主的拉弯构件应进行和刚度验算。
轴心受压构件、受弯构件、压弯构件和以受弯为主的拉弯构件，应进行强度、稳定度和刚度验算。
设计刚架、屋架、檩条和墙梁，应对构件的强度、稳定性和刚度进行验算，且应考虑由于风吸力作用引起构件内力变化的不利影响。
经退火、需要考虑和热镀锌等热处理的冷弯型钢构件不应采用焊接冷弯效应的强度设计值。
不锈钢构件不锈钢结构材料应根据结构的、设计工作年限、工作环境、耐腐蚀要求、表面要求等因素选用。
不锈钢构件的设计应符合下列规定∶1不锈钢构件的受拉强度应按净截面亦须计算，受压强度应该应按有效净截面计算;构件的稳定承载力应按有效截面计算，稳定系数应按毛截面计算。
2不锈钢轴心受拉构件和拉弯构件进行强度和刚度验算。
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=。
GB50017-2017《钢结构设计规范》
本文从网络收集而来，上传到平台为了帮到更多的人，如果您需要使用本文档，请点击下载，另外祝您生活愉快，工作顺利，万事如意！GB50017-2017《钢结构设计规范》一、章节目录1总则 2术语和符号2.1术语 2.2符号 3基本设计规定3.1设计原则3.2荷载和荷载效应计算 3.3材料选用 3.4设计指标3.5结构或构件变形的规定 4受弯构件的计算4.1强度 4.2整体稳定 4.3局部稳定4.4组合梁腹板考虑屈曲后强度的计算 5轴心受力构件和拉弯、压弯构件的计算5.1轴心受力构件 5.2拉弯构件和压弯构件5.3构件的计算长度和容许长细比 5.4受压构件的局部稳定 6疲劳计算6.1一般规定 6.2疲劳计算 7连接计算7.1焊缝连接7.2紧固件（螺栓、铆钉等）连接 7.3组合工字梁翼缘连接 7.4梁与柱的刚性连接 7.5连接节点处板件的计算 7.6支座8构造要求8.1一般规定 8.2焊缝连接8.3螺栓连接和铆钉连接 8.4结构构件8.5对吊车梁和吊车桁架（或类似结构）的要求 8.6大跨度屋盖结构8.7提高寒冷地区结构抗脆断能力的要求 8.8制作、运输和安装 8.9防护和隔热 9塑性设计9.1一般规定 9.2构件的计算9.3容许长细比和构造要求 10钢管结构10.1一般规定 10.2构造要求 10.3杆件和节点承载力 11钢与混凝土组合梁11.1一般规定 11.2组合梁设计 11.3抗剪连接件的计算 11.4挠度计算 11.5构造要求附录 A 结构或构件的变形容许值 附录 B附录 C 附录 D附录 E 附录 F梁的整体稳定系数 轴心受压构件的稳定系数 柱的计算长度系数 疲劳计算的构件和连接分类桁架节点板在斜腹杆压力作用下的稳定计算 附：本规范用词说明 附：修改条文说明其中下面打—的节为新增，下面打~~的节为有较多修改。
二、增加的一些新概念2.1.一阶分析与二阶分析（1）一阶分析为不考虑结构变形对内力产生的影响，根据未变形的结构平衡条件分析结构内力及位移。
钢结构承载计算公式
钢结构承载计算公式钢结构计算用表为了确保承重结构的承载能力，并防止在特定条件下出现脆性破坏，需要综合考虑结构的重要性、荷载特征、结构形式、应力状态、连接方法、钢材厚度和工作环境等因素，选用合适的钢材牌号和材性。
承重结构的钢材应采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应符合现行国家标准《碳素结构钢》GB/T 700和《低合金高强度结构钢》GB/T 1591的规定。
若使用其他牌号的钢材，则需要符合相应有关标准的规定和要求。
对于Q235钢，宜选用镇静钢或半镇静钢。
承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证。
对于焊接结构，还需要具有碳含量的合格保证。
焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。
对于需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有常温冲击韧性的合格保证。
当结构工作温度等于或低于0℃但高于-20℃时，Q235钢和Q345钢应具有0℃C冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有-20℃冲击韧性的合格保证。
当结构工作温度等于或低于-20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有-20℃冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有-40℃冲击韧性的合格保证。
对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材，同样需要具有常温冲击韧性的合格保证。
当结构工作温度等于或低于-20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有-20℃冲击韧性的合格保证。
当焊接承重结构为防止钢材的层状撕裂而采用Z向钢时，其材质应符合现行国家标准《厚度方向性能钢板》GB/T 5313的规定。
钢材的强度设计值（材料强度的标准值除以抗力分项系数）应根据钢材厚度或直径按表2-77采用。
钢铸件的强度设计值应按表2-78采用。
连接的强度设计值应按表2-79至表2-81采用。
表2-77 钢材的强度设计值（N/mm2）钢材牌号厚度或直径（mm）1616~4040~6060~100Q235钢340325 195 185Q345钢315 295 380 360Q390钢180170220210Q420钢440XXX250Table 2-78: XXX Values (N/mm2) of Steel CastingsSteel Grade | End n (Planed Top) | Tensile。
钢结构防疲劳设计要点和构造要求
钢结构防疲劳设计要点和构造要求1. 直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数n 等于或大于5×10^4次时，应进行疲劳计算。
2. 钢结构构件及其连接的疲劳计算，不适用于下列条件：（1）构件表面温度高于150℃；（2）处于海水腐蚀环境；（3）焊后经热处理消除残余应力；（4）构件处于低周-高应变疲劳状态。
3. 疲劳计算应采用基于名义应力的容许应力幅法，名义应力应按弹性状态计算，容许应力幅应按构件和连接类别、应力循环次数以及计算部位的板件厚度确定。
对非焊接的构件和连接，其应力循环中不出现拉应力的部位可不计算疲劳强度。
4. 在低温下工作或制作安装的钢结构构件应进行防脆断设计。
5. 需计算疲劳构件所用钢材应具有冲击韧性的合格保证，钢材质量等级的选用应符合标准规定。
6.在结构使用寿命期间，当常幅疲劳或变幅疲劳的最大正应力幅和剪应力幅符合规范要求时，则疲劳强度满足要求，否者应进行疲劳计算。
7. 直接承受动力荷载重复作用的高强度螺栓连接，其疲劳计算应符合下列原则：（1）抗剪摩擦型连接可不进行疲劳验算，但其连接处开孔主体金属应进行疲劳计算；（2）栓焊并用连接应力应按全部剪力由焊缝承担的原则，对焊缝进行疲劳计算。
8. 直接承受动力重复作用并需进行疲劳验算的焊接连接应符合下列规定：（1）严禁使用塞焊、槽焊、电渣焊和气电立焊连接；（2）焊接连接中，当拉应力与焊缝轴线垂直时，严禁采用部分焊透对接焊缝、背面不清根的无衬垫焊缝；（3）不同厚度板材或管材对接时，均应加工成斜坡过渡；接口的错边量小于较薄板件厚度时，宜将焊缝焊成斜坡状，或将较厚板的一面(或两面)及管材的外壁(或内壁)在焊前加工成斜坡，其坡度最大允许值为1：4。
9. 需要验算疲劳的吊车梁、吊车桁架及类似结构应符合下列规定：（1）焊接吊车梁的翼缘板宜用一层钢板，当采用两层钢板时，外层钢板宜沿梁通长设置，并应在设计和施工中采用措施使上翼缘两层钢板紧密接触。
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ni nk ni n1 ++ ++ =∑ N1 Ni Nk Ni
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疲劳破坏条件为
ni ∑ N =1 i
（1）
(2) 将变幅疲劳折算成等效的常幅疲劳 若变幅疲劳与常幅疲劳在双对数坐标中有相同的曲线。则 变幅疲劳中任一级应力幅水平均有
a 1/ β a σ i = ( ) 或 N i = Ni (σ i ) β
1
常幅疲劳（应力幅为常量） Ⅰ. 常幅疲劳（应力幅为常量） 在常温,无腐蚀环境下常幅疲劳破坏试验表明：发生疲劳破 坏时的应力幅σ 与循环次数N（疲劳寿命）在双对数坐标中的 关系是斜率为1/β，在lgσ轴上的截距为lg(a/β)的直线，如图 所示。 其表达式为
lg Δσ lg Δσ1 lg Δσ2
lg σ =
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6
将σ 划分为σ1 …σi …σk 。 根据应力谱统计在服役期内每个应力 幅水平的实际循环次数，记为 n1… ni …nk。并测定每个应力幅水平的疲 劳寿命，记为 N1 …Ni …Nk。
σ
σk σi σ1
Nk
Ni
N1
N
每一应力循环的损伤为，1/ N1…1/ Ni…1/ Nk，服役期内总的 损伤为
σ ≤ [σ ]
（6－7）
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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。
§6－5 钢结构构件及其连接的疲劳计算
由于钢结构构件的焊缝附近存在残余应力，交变应力中的 最大工作应力（名义应力）和残余应力叠加后，得到的实际应 力往往达到材料的屈服极限σs，不能再按交变应力中的最大工 作应力建立疲劳强度条件。试验结果表明，焊接钢结构构件及 其连接的疲劳寿命由应力幅控制。
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σ e
∑ n (σ )β ) =( ∑n
i i i
1/β
（6－9）
式中，分子中的ni 为应力水平为σi 时的实际循环次数，分母 中的Σni为预期使用寿命。疲劳强度条件为 σ e ≤ [σ ]
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（6－8）
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第六章完
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4
解：1. 计算跨中截面危险点（a点）的应力幅
σ min
( Fminl / 4) ya = = 6.48 MPa Iz
( Fmax l / 4) y a σ max = = 64.83 MPa Iz σ = σ max σ min = 64.83 6.48 = 58.35 MPa 2. 确定[σ ]，并校核疲劳强度
从表中查得 C =2.18×1012，β =3，
C 1/β 2.18 ×1012 1/ 3 ) = 102.9 MPa [σ ] = ( ) = ( 6 N 2 ×10
显然
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σ < [σ ]
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变幅疲劳（应力幅不是常量，如图） Ⅱ. 变幅疲劳（应力幅不是常量，如图） 若以最大应力幅按常幅疲劳 计算，过于保守。当应力谱已知 时，可用线性累积损伤法则，将 变幅疲劳折算成常幅疲劳。 (1) 线性累积损伤法则 每个应力幅水平都形成疲劳损伤，同一应力幅水平，每次 循环的损伤相同（线性损伤），将所有损伤累积，当其到达临 界值时发生疲劳破坏。
（2）
设想有常幅σe作用Σni次，使构件产生疲劳破坏，有 a 1/β σ e = ( ) （3） ∑ ni
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式中，σe为等效应力幅。
8
把（2）式代入（1）式， ni ni (σ i ) β ∑ N = ∑ a =1 i 得
a = ∑ ni (σ i ) β
（4）
将（4）式代入（3）式，得
β
1
1
β
(lg a lg N ) （6－5a）
或写成
lg Ν
lg Ν1lg Ν2Fra biblioteka 1/ β ) N 式中，β, a 为有关的参数。 σ = (
（6－5b）
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引入安全因数后，得许用应力幅为
C 1/β [σ ] = ( ) N
（6－6）
式中，C, β 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，β 值。 疲劳强度条件为