不同钢结构疲劳强度分析
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(含螺栓)力学指标
钢结构(含螺栓)力学指标
钢结构力学指标是指描述钢结构在受力作用下所表现出的力学性能的参数。
这些指标包括但不限于以下几个方面：
1. 强度指标，强度是材料抵抗外部力量破坏的能力。
对于钢结构而言，常见的强度指标包括屈服强度、抗拉强度、抗压强度、剪切强度等。
这些指标反映了钢材在受力下的承载能力，是设计和施工中必须考虑的重要参数。
2. 刚度指标，刚度是材料抵抗变形的能力，它描述了材料在受力下的变形特性。
对于钢结构而言，刚度指标包括弹性模量、剪切模量等。
这些指标反映了钢结构在受力下的变形情况，对于结构的稳定性和变形控制具有重要意义。
3. 疲劳指标，疲劳是材料在交变应力作用下发生破坏的现象，对于钢结构而言，疲劳指标是评价结构在长期使用中抵抗疲劳破坏能力的重要参数。
常见的疲劳指标包括疲劳极限、疲劳寿命等。
4. 螺栓连接指标，钢结构中的螺栓连接是常见的连接方式，其力学指标包括螺栓的抗剪强度、抗拉强度等。
这些指标影响着螺栓
连接的可靠性和安全性。
总之，钢结构力学指标涵盖了强度、刚度、疲劳和螺栓连接等多个方面，这些指标对于评价钢结构的安全性、稳定性和可靠性具有重要意义。
在设计、制造和使用钢结构时，需要充分考虑这些力学指标，以确保结构的安全和可靠运行。
钢结构设计中的强度与稳定性分析
钢结构设计中的强度与稳定性分析钢结构作为一种重要的建筑构造形式，在现代建筑中得到了广泛的应用。
其独特的特点使其成为了建筑设计师们的首选，然而，正确理解和分析钢结构的强度与稳定性是确保其安全性和可靠性的关键。
本文将深入探讨钢结构设计中的强度与稳定性分析，以期对读者有所启发。
一、强度分析钢结构的强度分析是确保建筑结构能够承受正常和异常荷载的重要步骤。
在设计过程中，工程师需要考虑到以下几个关键因素。
1.1 材料强度钢材作为钢结构的主要构造材料，其强度参数决定了整个结构的抗力能力。
工程师需要详细了解所选用的钢材的性能指标，包括屈服强度、抗拉强度、弹性模量等，以确保设计结构的强度能够满足要求。
1.2 荷载计算在设计过程中，荷载计算是非常重要的一环。
工程师需要根据建筑的用途和具体情况，准确计算出可变荷载、恒载和地震荷载等，以保证设计的结构能够承受这些荷载。
当荷载不均匀分配时，还需要进行统一系数的计算。
1.3 结构稳定钢结构的稳定性是强度分析中不可忽视的一部分。
当结构受到垂直或水平方向的外力作用时，其稳定性要求结构能够保持稳定。
工程师需要根据实际情况，采用适当的稳定性分析方法，确保设计的结构能够满足要求。
二、稳定性分析稳定性分析是钢结构设计中非常重要的一环，它主要考虑结构在受荷时的稳定性能。
以下是一些常见的稳定性分析方法。
2.1 弯曲稳定性分析在弯曲稳定性分析中，工程师需要计算并分析结构受弯矩作用下的稳定性。
通过计算结构的屈曲系数和容许屈曲荷载，可以确定结构的弯曲稳定性是否得到满足。
2.2 屈曲稳定性分析屈曲稳定性分析主要考虑结构在压力作用下的稳定性。
工程师需要计算结构的临界荷载和理论强度，以保证结构在受压力作用时不发生屈曲。
2.3 应力稳定性分析应力稳定性分析是为了保证结构在受荷时不发生破坏。
工程师需要计算结构的应力集中系数和容许应力，以确保结构在实际使用条件下能够稳定且不发生破坏。
三、结构设计的实践在实际结构设计中，强度与稳定性分析是紧密相连的。
疲劳强度理论分析
1. 名义应立法：计算全寿命，主要用于高周疲劳； 2. 局部应力—应变法：计算裂纹形成寿命； 3. 断裂力学法：计算裂纹扩展寿命。
（四）：疲劳试验 材料试验，实物结构试验，高周疲劳试验，低周疲劳试验，裂纹扩展寿命试验
（五）：常规疲劳强度设计：
），可
4.P-S-N 曲线 不同可靠度下的应力——寿命曲线
（1） S-N曲线中S,N的概率密度函数
大量实验表明：疲劳强度符合正态分布
（同寿命下的应力分布）。疲劳寿命符合对数
正态或威布尔分布（同应力水平下的寿命）
正态分布
——均值，也叫数学期望。
——标准差，数学上叫均方根值。
对数正态分布，将随机变量的对数函数进行分析。威布尔分布（寿命）
随机载荷下疲劳寿命研究实测载荷谱当量成对称循环下的载荷谱ii根据材料的sn曲线实物试验值和实测载荷谱代入计算模型638可计算不同可靠度下的疲劳寿命图612表621表622这里进行了两种构件侧架和摇枕的疲劳寿命计算iii与实际统计数据比较讲实际统计数据进行整理表627采用常规定时截尾试验发最后论证摇枕的实际平均寿命为328年计算值为3537年两值接近说明计算公式可以
疲劳试验在疲劳试验机上进行，有弯曲疲劳试验机和拉—压疲劳 试验机等。
2 疲劳分析的有关参数
应力幅
平均应力 最大应力 最小应力 应力范围
应力比
对称循环， 脉动循环 静应力
3 材料的S—N曲线 根据不同应力水平分组进行疲劳试验，
根据实验数据进行拟合，一般采用最小二乘 法。 曲线为指数曲线，即： 对上式两边去对数 ：
也就是许用应力法： 存在问题：
a. 设计的机械零件特别笨重（为了安全，只有加大整个截面尺寸）； b. 尽管笨重，但仍有疲劳裂纹产生。 原因： a. 疲劳裂纹发生在构件的危险点的局部区域，通过裂纹不断扩展，
钢结构疲劳分析
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
17
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
钢箱梁入门系列漫谈（七）钢结构核心问题强度、稳定、疲劳
钢箱梁入门系列漫谈（七）钢结构核心问题强度、稳定、疲劳美桥欣赏意大利 Constitution Bridge钢结构最常见的三种破坏形式对应着三大核心问题：强度、稳定和疲劳。
1）受拉构件的强度破坏（屈服）80+139+80 上承式钢桁组合梁（破坏前）80+139+80 上承式钢桁组合梁（破坏后）2）受压构件的失稳（屈曲）3）受拉（拉压）构件的疲劳开裂Silver Bridge强度构件在稳定平衡状态下由荷载引起的最大应力是否超过材料的极限强度。
钢材受拉破坏内因是钢材大范围的屈服，外因是荷载使构件内力过大，以屈服点作为制定截面最大应力限制依据。
稳定只要构件受压，终究不能离开稳定问题的困扰，这也是拱桥跨径小于斜拉桥、斜拉桥跨径小于悬索桥的主体原因。
稳定实质上是外荷载与结构内部抵抗力间的不平衡状态，在微小干扰下结构变形急剧增长的状态，是一个变形问题。
内因是材料特性、构件长细比、支撑条件、初始偏心、残余应力。
外因是荷载使受力构件所受到的压力，以构件的压溃强度为依据，借此制定应力限值，并以荷载使该构件所产生的压应力不大于该限值。
稳定问题包括整体稳定与局部稳定。
1）局部稳定受压构件通过宽厚比控制局部稳定，宽厚比过大，设置加劲肋解决。
加劲肋设置后根据加劲肋的刚柔性计算局部稳定折减面积，得到局部稳定折减后的验算面积。
如下图（《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）图5.1.7）。
2）整体稳定受压构件整体稳定转化为类似强度验算，以轴心受压杆件为例，将验算面积（局部稳定折减后的有效面积）乘以一个小于1的系数（此系数根据杆件截面类型及相对长细比根据下图得到），控制总体稳定应力小于容许应力。
稳定折减系数如下图（《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）附录A）。
疲劳只要受拉，构件就有疲劳问题，裂纹随着拉应力的变化扩展，所以受压构件不需检算疲劳。
受拉或者是拉压交替就会有裂纹扩展的危险，就需检算疲劳稳定。
欧标钢结构设计手册 疲劳
欧标钢结构设计手册疲劳疲劳是影响钢结构安全性和耐久性的一个重要因素。
在长期使用中，钢结构会受到反复的荷载作用，导致材料的内部产生微小裂纹，并逐渐扩展至破坏。
因此，研究和控制疲劳对于钢结构设计非常重要。
欧标钢结构设计手册提供了详细的疲劳分析和设计准则，旨在确保钢结构的疲劳强度和可靠性。
1. 疲劳分析基础在进行钢结构的疲劳设计之前，需要对其受力情况进行全面的分析。
疲劳分析基础包括荷载谱分析、疲劳损伤积累和疲劳寿命评估。
荷载谱分析是通过对实际荷载的测量和分析，得到荷载时间历程，并进行频域分析，确定其主要频率成分和振幅。
疲劳损伤积累是指在一定的时间内，由于荷载的反复作用，材料内部的裂纹不断扩展，直至破坏。
疲劳寿命评估是通过计算疲劳寿命的方法，确定材料在特定荷载作用下的耐久性能。
2. 疲劳试验和材料参数欧标钢结构设计手册规定了疲劳试验的要求和方法，以获取钢材的疲劳性能参数。
试验包括疲劳强度试验、疲劳寿命试验和裂纹扩展试验等。
疲劳强度试验是通过施加不同的荷载谱，确定材料疲劳极限和疲劳裂纹扩展速率。
疲劳寿命试验是通过施加特定的荷载谱，确定材料在一定应力幅下的疲劳寿命。
裂纹扩展试验是为了确定裂纹扩展速率，可根据砂轮磨擦试验、盖板试验等方法来进行。
通过这些试验，在结构设计中可以更准确地评估材料的疲劳性能。
3. 疲劳设计准则欧标钢结构设计手册制定了一系列疲劳设计准则，用于指导钢结构在疲劳荷载下的设计。
准则包括材料的疲劳极限和疲劳寿命、应力集中系数、修正系数等。
疲劳极限和疲劳寿命是根据试验数据和统计方法得到的参数，用于确定特定荷载作用下的疲劳设计应力范围。
应力集中系数是考虑结构中应力集中点的存在，通过修正系数来估计疲劳强度。
修正系数包括尺寸系数、表面处理系数、载荷工况系数等，用于提高疲劳设计的准确性和可靠性。
4. 疲劳分析软件和计算方法为了更高效地进行疲劳分析和设计，欧标钢结构设计手册提供了多种疲劳分析软件和计算方法。
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
钢结构有关疲劳的资料.
第八章钢结构的脆性断裂和疲劳8.1钢结构脆性断裂及其防止8.1.1 脆性断裂破坏1.定义从宏观上讲，最近破坏的主要特征表现为断裂时伸长量极其微小，(例如生铁在单向拉伸断裂时为0.5%～0.6% )。
如果结构的最终破坏是由于其构件的脆性断裂导致的，那么我们称结构发生了脆性破坏。
对于脆性破坏的结构。
几乎观察不到构件的塑性发展过程，往往没有破坏的预兆，因而破坏的后果经常是灾难性的。
工程设计的任何领域，无一例外地度都要求避免结构的脆性破坏(如在钢筋混凝土结构中避免设计超筋梁)，其道理就在于此。
2.脆性断裂破坏分类①过载断裂：由于过载，强度不足而导致的断裂。
这种断裂破坏发生的速度通常极高(可高达2100m/s),后果极其严重。
在钢结构中，过载断裂只出现在高强钢丝束、钢绞线和钢丝绳等脆性材料做成的构件。
②非过载断裂：塑性很好的钢结构件在缺陷、低温等因素影响下突然呈现脆性断裂。
③应力腐蚀断裂：在腐蚀性环境中承受静力和准静力荷载作用的结构，在远低于屈服极限的应力状态下发生的断裂破坏成为应力腐蚀断裂。
它是腐蚀和非过载断裂的综合结果。
一般认为,强度越高则对应力腐蚀断裂越敏感。
对于常见碳钢和低合金钢而言,屈服强度大于700Mpa时,才表现出对应力腐蚀断裂比较敏感。
据一项1974年的调查报告称,我国铁路桥梁的高强度螺栓在十几年间约有五千分之一发生了应力腐蚀断裂。
此后采用20MnTiB 钢和35VB代替40B钢,情况大有改善。
④疲劳断裂与腐蚀疲劳断裂：在交变荷载作用下，裂纹的失稳扩展导致的断裂破坏称为疲劳断裂。
疲劳断裂有高周和低周之分。
循环周数在10的5次方以上者称为高周疲劳,属于钢结构中常见的情况。
低周疲劳断裂前的周数只有几百或几十次,每次都有较大的非弹性应变。
典型的低周破坏产生于强烈地震作用下。
环境介质导致或加速疲劳裂纹的萌生和扩展称为腐蚀疲劳。
⑤氢脆断裂：氢可以在冶炼和焊接过程中侵入金属造成材料韧性降低而可能导致的断裂。
钢结构设计中的疲劳强度考虑与分析
钢结构设计中的疲劳强度考虑与分析随着现代建筑工程的发展，钢结构设计在大型建筑项目中扮演着重要的角色。
然而，在钢结构设计中，疲劳强度的考虑与分析却常常被忽略。
本文将探讨钢结构设计中的疲劳强度问题，并提供一些解决方案。
钢结构由于其高强度、轻巧和可塑性等优点而广泛应用于建筑工程中。
然而，由于其材料特性，钢结构容易受到疲劳损伤的影响。
疲劳强度是指在重复加载下材料或结构所能承受的最大应力。
如果在设计过程中未充分考虑疲劳强度，钢结构可能会因长期的重复加载而导致疲劳断裂，给工程项目带来巨大的安全隐患。
钢结构的疲劳强度问题主要包括两个方面：疲劳强度分析和疲劳寿命预测。
疲劳强度分析是通过对结构进行计算和模拟，确定其在重复荷载下的疲劳强度。
疲劳寿命预测则是根据疲劳强度分析的结果，估计结构在使用寿命内能够安全承受的荷载次数或年限。
在进行疲劳强度分析时，需要考虑材料的疲劳性能和结构的受力情况。
钢材的疲劳性能可以通过实验来确定，例如进行疲劳试验，得到应力幅-寿命曲线和疲劳极限等参数。
而结构的受力情况则需要通过有限元分析或使用计算公式等方法进行计算和模拟。
在进行疲劳强度分析时，还需要考虑荷载频率、应力集中情况和环境温度等因素的影响。
疲劳寿命预测是根据疲劳强度分析的结果来估计结构的使用寿命。
根据结构材料的疲劳性能和应力情况，可以使用各种方法来进行疲劳寿命预测，如线性累积损伤法、计数法和安全系数法等。
其中，线性累积损伤法是最常见的方法，通过考虑结构在每个荷载循环下的应力幅与疲劳极限之间的关系，计算结构的寿命。
为了提高钢结构设计中的疲劳强度，可以采取一些预防措施。
首先，需要充分考虑结构的工作环境和受力情况，避免应力集中和过载等情况。
其次，可以采用疲劳寿命优化设计，通过改变结构的几何形状和材料厚度等参数，提高结构的疲劳寿命。
此外，还可以使用疲劳增强技术，如表面处理、焊接缺陷处理和应力容限设计等，提高结构的疲劳强度。
总之，钢结构设计中的疲劳强度考虑与分析是保证工程项目安全有效的重要一环。
不同钢结构疲劳强度分析
不同钢结构疲劳强度分析摘要：随着生产和加工工艺的不断提高，高强度钢材钢结构已经开始在各种电器柜中得到应用，并取得了良好的效益。
由于在材料力学性能、加工工艺、初始缺陷影响等方面的差别，高强度结构钢材构件的整体稳定性能与普通强度钢材有明显不同。
关键词：疲劳强度；屈服极限；疲劳寿命1 、概述钢材的生产工艺与构件的加工工艺是推动钢结构发展的重要因素，钢材力学性能的提高，能够提升钢结构构件的受力性能、安全性能以及钢结构整体的使用功能；同时，实际应用的不断创新也会促进钢结构的发展，这就对钢材的力学性能提出了新的要求，特别是要求结构材料应具有更高的强度。
在这一背景之下，采用新的生产冶金工艺开发出了新型高强度结构钢材，先进的加工工艺特别是焊接技术以及与高强度钢材相匹配的焊接材料也陆续出现，高强度结构钢材具备了应用于实际电器柜的基本条件。
本文的研究对象主要针对强度等级在420MPa 及以上的新型高强度结构钢材中厚板材（即板厚<40mm）构件。
2、疲劳的定义及特征疲劳破坏是指材料或结构在循环交变应力或者循环交变应变的作用下,由于某点或某些点所在的部位发生局部永久性结构变化,在经历一定的循环次数后形成裂纹并最后发生断裂的现象,即在交变载荷重复作用下材料或者结构的结构破坏现象。
经过人们长期的经验积累和对疲劳破坏事故的认真考察,疲劳破坏的显著特征己初步为人们所掌握,这些特征使疲劳破坏与传统的静力破坏、腐蚀破坏以及其他破坏形式相区别,给人们对事故的分析带来方便。
具体的特征包括:长期性、非屈服性、难以预测性、局部性、影响因素多样性、端口形貌特殊性。
疲劳破坏的过程大致就可以描述为以下的“恶性循环阶段”:应力集中一一争疲劳裂纹出现一一争裂纹尖端新的应力集中一一卜裂纹扩展一一卜构件发生断裂。
3、影响结构疲劳强度的因素构件在某一循环载荷下工作时,构件应力值的大小为一般用S来表示。
当构件的应力水平S低于某一个应力限度值的时候,如果构件可以在该应力水平作用下承受无限次循环而不发生疲劳破坏,则该应力限度值为材料或者构件的“疲劳极限”。
中美标钢结构设计对比分析
中美标钢结构设计对比分析摘要：某项目中采用的钢材为美标钢材，不易采购，造价高且管理风险较高，需要采用中国钢材进行替换。
针对此情况，本文采用对比中、美两国规范的计算方法出发，同时分析了中、美规范中钢材的化学成分、受力性能等特性，提出了采用按照强度和刚度等效的原则进行中国钢材替换美国钢材的设计准则，并完成了常用中国型钢和美国型钢的替换表。
关键字：钢材国产化设计原理许用应力法1 概述AP1000技术是我国引进的第三代先进核电堆型，对AP1000技术的消化吸收和材料国产化是提高我国自主化设计水平的基础。
因此做好结构用钢材国产化的工作具有深远的意义。
目前采用中国钢材替换美国钢材存在以下问题：(1)由于美国规范计算方法、钢材的强度取值和中国规范均不相同，需要证明采用中国钢材替换美国钢材，并采用美国规范计算方法得到的结果是安全可靠的。
(2)美国规范中钢材和中国钢材的物理特性、型号、化学成份、材料强度、试验方法等规定均不一样，需要证明采用合理的替换原则使得替换后的钢构件具有足够的安全度。
(3)美国规范中对钢构件的各种构造要求和中国规范不一样，需要采用适当的措施保证替换后的钢构件满足中国规范要求。
本文针对以上三个问题，从规范的计算方法出发，同时分析了中、美规范中钢材的物理特性、化学成分、受力性能等，提出了采用中国钢材替换美国钢材的替换准则。
2 计算方法2.1美国钢结构规范设计方法2.1.1设计原理美国钢结构计算方法：采用容许应力法进行设计。
容许应力法为使用比例配置对结构构件进行设计的方法。
安全性由一个安全系数Ω提供。
钢材的容许应力值等于钢材的标准强度值除以一个安全系数Ω。
2.1-12.1.2荷载组合根据SEI/ASCE7规范2.4节和ANSI-AISC N690规范6.3节要求，抗震Ⅱ类厂房钢结构部分对应的荷载组合如表2-1所示：表2-1美国规范荷载载组合根据AISC-S335-1989版规范，材料的许用应力取值分为以下几种情形：(1)构件的抗拉、抗压、抗弯许用应力 2.1-2(2)构件的抗剪许用应力 2.1-3Fy为钢材最小屈服强度。
钢结构建筑的疲劳与损伤分析
钢结构建筑的疲劳与损伤分析钢结构建筑在现代建筑领域中被广泛应用，其具备高强度、轻质、耐久等优点，然而由于长期受力及外界环境的影响，钢结构建筑也存在疲劳与损伤的问题。
本文将探讨钢结构建筑的疲劳与损伤分析，以便更好地理解和处理这一问题。
一、疲劳分析1. 疲劳现象的原因钢结构建筑在使用过程中会受到重复载荷作用，这种重复载荷作用会导致结构材料内部的微小裂纹不断扩展，最终导致结构的失效。
这种现象被称为疲劳。
2. 疲劳特征疲劳在钢结构建筑中表现为结构的变形、裂纹扩展以及结构强度的逐渐下降。
在某些情况下，疲劳还可能导致结构的坍塌。
因此，疲劳分析对于确保钢结构建筑的安全性至关重要。
3. 疲劳分析方法疲劳分析的方法包括实验研究和数值模拟。
实验研究通过对钢结构建筑进行不同程度的重复载荷测试，观察结构的变形和破坏情况，以获取疲劳寿命和失效机理等信息。
数值模拟则通过建立物理模型和应力分析模型，利用计算机软件进行结构响应和破坏预测。
4. 疲劳寿命评估疲劳寿命评估是疲劳分析的核心内容之一，它用于评估钢结构在一定重复载荷下的使用寿命。
常用的评估方法包括SN曲线法、应力幅与寿命法等。
通过这些评估方法，可以得到钢结构在不同载荷条件下的疲劳寿命，从而指导设计和维护工作。
二、损伤分析1. 损伤类型钢结构建筑在使用过程中可能会出现多种损伤类型，如腐蚀、脆性断裂、焊接缺陷等。
这些损伤类型会导致结构强度的下降和变形的增加，进而影响结构的安全性和使用寿命。
2. 损伤评估方法损伤评估方法主要包括非破坏检测和结构评估两个方面。
非破坏检测方法通过利用物理信号来检测结构内部的缺陷和损伤，如超声波检测、磁粉检测等。
结构评估则通过分析损伤的类型、程度以及对结构强度和稳定性的影响来评估结构的安全性。
3. 损伤修复和加固当发现钢结构建筑存在损伤时，需要进行相应的修复和加固措施。
修复方法包括焊接、补强、涂覆等，以修复结构损伤并恢复结构的强度和稳定性。
加固方法则通过增加结构承载能力来提高结构的安全性和使用寿命。
PREN1993-1-9-2000钢结构设计-钢结构的疲劳强度
欧洲规范3：钢结构设计1.9部分：钢结构的疲劳强度34级草案目录1.引言 (3)1.1范围 (3)1.2术语和定义 (4)1.2.1 概要 (4)1.2.2 疲劳加载参数 (4)1.2.3 疲劳强度 (5)1.3符号规定 (5)1.4基本假设 (6)2.基本要求和方法 (6)3.可靠性概念 (7)4．疲劳效应建模 (7)5．应力计算 (8)6．应力范围计算 (8)6.1概要 (8)6.2名义应力范围的设计值 (9)6.3修正名义应力范围的设计值 (9)6.4中空截面焊缝应力范围的设计值 (9)7．疲劳强度 (9)7.1概要 (9)7.2疲劳强度的修正 (12)7.2.1 未焊接细节或应力消失的焊接细节 (12)7.2.2 尺寸效应 (12)8．疲劳评估 (12)附A.1 [标准]—疲劳载荷参数和验证形式的确定 (26)A.1.1范围 (26)A.1.2疲劳载荷参数的确定 (26)A.1.2.1 加载历程的确定 (26)A.1.2.2 细节的应力变化历程 (26)A.1.2.3 循环次数的统计 (26)A.1.2.4 应力谱 (26)A.1.2.5 失效循环次数 (26)A.1.3验证形式 (27)附录A.2[标准]—几何应力下的疲劳强度——参考S-N曲线 (29)EN 1993-1-9 的国标附录本标准给出了各等级可供选择的规范，评价和建议，包含注释，也可以说是国标的精华部分。
因此，落实国家标准EN 1993-1-9得制定相应的附录，使其附录包括有关国家用于钢结构设计的所有确定的参数。
1.引言1.1 范围（1）本部分阐述了疲劳加载下构件，连接件和接头其结构细节耐久性的评估方法。
（2）此方法以大量的疲劳试验为基础，考虑了材料制造和加工过程中尺寸与结构的缺陷所带来的影响。
（比如：焊接时残余应力与公差的影响）注1：关于公差见EN xxx1。
如果EN xxx1没有给出加工标准，国标附录应有详细说明。
注2：制造过程中的探伤要求见国标附录。
焊接钢结构的疲劳强度
焊接钢结构的疲劳强度在钢铁材料的研究中，人们总是希望材料具有较高的比强度，即以较轻的自身重量去承担较大的负载重量，因为相同重量的结构可以具有极大的承载能力；或是同样的承载能力可以减轻自身的重量。
所以高强钢应运而生，也具有较高的疲劳强度，基本金属的疲劳强度总是随着静载强度的增加而提高。
但是对于焊接结构来说，情况就不一样了，因为焊接接头的疲劳强度与母材静强度、焊缝金属静强度、热影响区的组织性能以及焊缝金属强度匹配没有多大的关系，这个规律适合对接接头、角接接头和焊接梁等各种接头型式。
材料的力学性能对裂纹扩展速率有一定影响，但影响并不大。
在设计承受交变载荷的焊接结构时，试图通过选用较高强度的钢种来满足工程需要是没有意义的。
造成上述结果的原因是由于在接头焊趾部位沿溶合线存在有类似咬边的熔渣楔块缺陷。
该尖锐缺陷是疲劳裂纹开始的地方，相当于疲劳裂纹形成阶段，因而接头在一定应力幅值下的疲劳寿命，主要由疲劳裂纹的扩展阶段决定。
这些缺陷的出现使得所有钢材的相同类型焊接接头具有同样的疲劳强度，而与母材及焊接材料的静强度关系不大。
1、接头类型的影响焊接接头的形式主要有：对接接头、十字接头、T形接头和搭接接头，在接头部位由于传力线受到干扰，因而发生应力集中现象。
对接接头的力线干扰较小，因而应力集中系数较小，其疲劳强度也将高于其他接头形式。
但实验表明，对接接头的疲劳强度在很大范围内变化，这是因为有一系列因素影响对接接头的疲劳性能的缘故。
如试样的尺寸、坡口形式、焊接方法、焊条类型、焊接位置、焊缝形状、焊后的焊缝加工、焊后的热处理等均会对其发生影响。
具有永久型垫板的对接接头由于垫板处形成严重的应力集中，降低了接头的疲劳强度。
这种接头的疲劳裂纹均从焊缝和垫板的接合处产生，而并不是在焊趾处产生，其疲劳强度—般与不带垫板的最不佳外形的对接接头的疲劳强度相等。
十字接头或T形接头在焊接结构中得到了广泛的应用。
在这种承力接头中，由于在焊缝向基本金属过渡处具有明显的截面变化，其应力集中系数要比对接接头的应力集中系数高，因此十字或T形接头的疲劳强度要低于对接接头。
钢结构材料疲劳分析
钢结构材料疲劳分析钢结构是工程中常见的一种结构形式，具有强度高、稳定性好等特点，常用于建筑、桥梁、机械设备等领域。
在使用过程中，钢结构可能会受到变化的荷载作用，长时间的循环载荷会导致疲劳现象的产生，进而影响结构的安全性。
因此，对钢结构材料的疲劳分析显得尤为重要。
1. 疲劳破坏机理疲劳破坏是指在循环载荷作用下，结构或材料经过多次应力循环后发生破坏的现象。
疲劳破坏的机理主要包括应力集中、裂纹扩展和最终破坏三个阶段。
在应力集中阶段，材料局部受到较高的应力，导致应力集中现象，进而使材料表面产生微小的裂纹。
随着循环载荷的不断作用，裂纹逐渐扩展，并最终导致破坏。
2. 疲劳分析方法（1）S-N曲线法：S-N曲线是指应力振幅与循环次数之间的关系曲线，通常用来描述材料的疲劳性能。
通过实验获得的S-N曲线可以帮助工程师预测材料在不同应力水平下的寿命。
（2）裂纹扩展速率法：裂纹扩展速率是指裂纹在单位时间内扩展的长度，通过裂纹扩展速率的研究可以评估材料的疲劳寿命和裂纹扩展的规律。
（3）应力比法：应力比是指最小与最大应力之比，在疲劳分析中，应力比对材料的疲劳性能具有重要影响，工程师通过引入应力比来评估材料在不同应力状态下的寿命。
3. 疲劳分析实例以一座桥梁为例，桥梁在使用过程中会受到车辆的荷载，随着车辆的来往，桥梁结构会不断受到循环载荷的作用，可能导致疲劳破坏。
通过对桥梁的疲劳分析，工程师可以确定桥梁的疲劳荷载范围，预测桥梁的疲劳寿命，从而采取有效的维护措施，保障桥梁的安全可靠。
4. 结语钢结构材料的疲劳分析是工程中的重要课题，通过研究疲劳破坏机理和采用合适的疲劳分析方法，可以有效预测材料的疲劳寿命，保障结构的安全运行。
工程师在设计和维护钢结构时，应加强对疲劳分析的重视，确保结构的稳定性和可靠性。
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。
钢结构疲劳分析
钢结构疲劳分析随着建筑结构的不断发展和技术的进步，钢结构在各个领域得到了广泛应用。
然而，由于长期受到外界荷载的作用，钢结构可能会出现疲劳现象，这不仅会对结构的稳定性和安全性产生影响，还可能导致结构的失效。
因此，对钢结构的疲劳特性进行分析和评估，对确保结构的可靠性和耐久性具有重要意义。
1. 引言钢结构的疲劳是指在反复加载和卸载过程中，结构材料由于应力的超过其疲劳强度极限而发生损伤与破坏的现象。
疲劳分析旨在研究结构在长期使用中疲劳荷载下的疲劳寿命和疲劳性能，以便在设计和施工阶段提出相应措施，以延长结构的使用寿命和提高结构的安全性。
2. 疲劳破坏机理钢结构的疲劳破坏主要有裂纹萌生、裂纹扩展和最终破坏三个阶段。
首先，由于外界荷载的作用，钢结构中开始出现微小的裂纹，这称为裂纹的萌生。
随着荷载的反复加载，这些裂纹会逐渐扩展，耗尽材料的强度，最终导致结构破坏。
3. 疲劳分析方法为了准确评估和预测钢结构的疲劳寿命，疲劳分析需要结合实验和数值模拟两个方面。
实验方面，通过在钢结构样本上施加不同的疲劳荷载，记录和分析其应力-应变曲线，以及裂纹的扩展情况，从而获取结构的疲劳性能参数。
数值模拟方面，基于有限元分析方法，利用计算机对钢结构的受力特性进行模拟，得出结构的应力分布和损伤程度。
4. 疲劳寿命评估疲劳寿命评估是钢结构疲劳分析的重要内容之一。
通过对结构所受疲劳荷载的频率、幅值和工作环境等参数的考虑，可以通过疲劳寿命计算公式来预测结构在特定条件下的疲劳寿命。
同时，还需考虑结构的可修复性和可靠性等因素，以综合评估结构的寿命。
5. 疲劳增强措施为了延长钢结构的疲劳寿命并提高结构的安全性，可以采取一系列的措施来增强结构的抗疲劳能力。
例如，使用高强度材料、增加横向支撑、合理设置结构连接等措施都可以有效地提高结构的耐久性和抗疲劳能力。
结论钢结构疲劳分析是确保钢结构安全可靠运行的重要手段。
通过疲劳分析，可以评估和预测钢结构在长期使用中的疲劳寿命，以及采取相应的措施来延长结构的使用寿命和提高结构的安全性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
不同钢结构疲劳强度分析
发表时间：2017-08-31T10:20:36.993Z 来源：《电力设备》2017年第12期作者：孙晓丽赵娜马连凤李晓莉刘谆
[导读] 摘要：随着生产和加工工艺的不断提高，高强度钢材钢结构已经开始在各种电器柜中得到应用，并取得了良好的效益。
由于在材料力学性能
（中车永济电机有限公司）
摘要：随着生产和加工工艺的不断提高，高强度钢材钢结构已经开始在各种电器柜中得到应用，并取得了良好的效益。
由于在材料力学性能、加工工艺、初始缺陷影响等方面的差别，高强度结构钢材构件的整体稳定性能与普通强度钢材有明显不同。
关键词：疲劳强度；屈服极限；疲劳寿命
1 、概述
钢材的生产工艺与构件的加工工艺是推动钢结构发展的重要因素，钢材力学性能的提高，能够提升钢结构构件的受力性能、安全性能以及钢结构整体的使用功能；同时，实际应用的不断创新也会促进钢结构的发展，这就对钢材的力学性能提出了新的要求，特别是要求结构材料应具有更高的强度。
在这一背景之下，采用新的生产冶金工艺开发出了新型高强度结构钢材，先进的加工工艺特别是焊接技术以及与高强度钢材相匹配的焊接材料也陆续出现，高强度结构钢材具备了应用于实际电器柜的基本条件。
本文的研究对象主要针对强度等级在420MPa 及以上的新型高强度结构钢材中厚板材（即板厚<40mm）构件。
2、疲劳的定义及特征
疲劳破坏是指材料或结构在循环交变应力或者循环交变应变的作用下,由于某点或某些点所在的部位发生局部永久性结构变化,在经历一定的循环次数后形成裂纹并最后发生断裂的现象,即在交变载荷重复作用下材料或者结构的结构破坏现象。
经过人们长期的经验积累和对疲劳破坏事故的认真考察,疲劳破坏的显著特征己初步为人们所掌握,这些特征使疲劳破坏与传统的静力破坏、腐蚀破坏以及其他破坏形式相区别,给人们对事故的分析带来方便。
具体的特征包括:长期性、非屈服性、难以预测性、局部性、影响因素多样性、端口形貌特殊性。
疲劳破坏的过程大致就可以描述为以下的“恶性循环阶段”:
应力集中一一争疲劳裂纹出现一一争裂纹尖端新的应力集中一一卜裂纹扩展一一卜构件发生
断裂。
3、影响结构疲劳强度的因素
构件在某一循环载荷下工作时,构件应力值的大小为一般用S来表示。
当构件的应力水平S低于某一个应力限度值的时候,如果构件可以在该应力水平作用下承受无限次循环而不发生疲劳破坏,则该应力限度值为材料或者构件的“疲劳极限”。
疲劳失效之前机械零部件所经历的应力或者应变循环次数称为“疲劳寿命”,一般用N表示,前面所提到的“韦勒曲线”或者“疲劳曲线”是表示应力幅Sa或者最大应力Sma、与疲劳寿命N之间关系的一种表达方式。
一般我们从标准或者书上所查到的一些材料的疲劳极限和S一N曲线,只能代表标准光滑试样的疲劳性能,称之为“中值S一曲线”。
但实际零部件的尺寸、形状和表面情况等是多样的,与标准试件存在一定程度上的差别,所以实际构件的疲劳强度、疲劳寿命与标准试样之间也存在一定的差距。
影响结构疲劳强度的因素主要有:形状,尺寸,表面状况,平均应力,腐蚀介质和温度等等,本节主要介绍与本论文相关的因素即形状、尺寸、表面加工方法对材料疲劳强度的影响。
4、理论计算
在钢结构梁的设计中要让力有很好的传导闭合性，就要充分的发挥每个梁的支撑作用。
对4mm和6mm钢板的截面模量计算如下：
对安装梁截面模量计算如下：
4mm钢板 6mm钢板 4mm内部加6mm钢板
通过计算4mm钢板对于x-x抗弯截面模量Wx=4.0612cm3
6mm钢板对于x-x的抗弯截面模量Wx=5.8505cm3
4mm内部增加两块6mm钢板后对于x-x的抗弯截面模量Wx=4.0612+1.681*2=7.4232cm3
根据最大弯曲正应力的计算公式：σmax=M/WX
可见，最大弯曲正应力与弯矩成M正比，与抗弯截面模量Wx成反比，当M不变时，Wx越大，所受的最大弯曲正应力越小，根据以上3种情况可以看出，第3种的抗弯截面模量Wx为7.4232cm3，较第1种增加了将近1倍。
5、实验分析
运用计算机分析软件ANSYS分别对4mm钢板折弯，6mm钢板折弯，4mm钢板折弯内侧加焊6mm钢板， 5mmQ235A槽钢进行了最大
应力实验验证，实验前后对比照片如下：
最大应力分别为85.89kN，126.05kN，173.77kN和116.05kN，曲线从上自下依次为4mm钢板折弯内侧加焊6mm钢板，6mm钢板折弯，5mmQ235A槽钢，4mm钢板折弯。
由此可见，通过理化分析和经验公式理论计算结果表明，4mm钢板折弯强度较弱，6mm钢板折弯强度优于5mmQ235A槽钢，4mm钢板折弯内侧加焊6mm钢板强度最好。
在结构设计中应根据不同的强度要求选择不同牌号的钢板的板材及钢板厚度。