疲劳计算与吊车梁设计(精品
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-设计规范引入欠载效应系数，按常幅疲劳进行计算
f n2106
（10.6）
f —欠载效应的等效系数
f
e
n2106 —循环次数为n=2×106次的容许应力幅,
按50年考虑。
【例题10.1】某由双角钢组成的轴心受拉构件，钢材为Q235-B，截面为2∠75
x8，截面积A=2x11.50=23.Ocm2。节点板厚12mm，与角钢用四条侧面角焊缝相 连如图10.5所示。拉杆承受等幅循环荷载，预期应力循环次数n =1.5E6次， 最大荷载标准值Nkmax= 370kN，最小荷载标准值Nkmin=220kN，最大荷载设计值 Nmax= 490kN。焊缝尺寸如图示。试验算此轴心拉杆和连接的静力强度与疲劳 强度
多次重复荷载作用下，裂纹的张和 闭使裂纹逐渐扩展而形成断口的光滑区， 被突然拉断的断口为粗糙区。
（3）构件和连接的构造形式和加工情况对钢结构的疲劳性 能的影响
1．钢材的内部缺陷，如偏析、夹渣、分层、裂纹等； 2．制作过裎中剪切、冲孔、切割； 3．焊接结构中产生的残余应力； 4．焊接缺陷的存在，如：气孔、夹渣、咬肉、未焊透等； 5．非焊接结构的孔洞、刻槽等； 6．构件的截而突变； 7．结构由于安装、温度应力、不均匀沉降等产生的附加应力集中
（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
（2）常幅疲劳验算计算：
[ ] ——焊接结构的应力幅 =maxmin； 非焊接部位的应力幅 =max0.7min，
应力拉为正，压为负。
[ ]——常幅疲劳的容许应力幅
一、吊车梁的荷载
• 吊车在吊车梁上运动产生三个方向的动力荷载：竖向荷载、横向水 平荷载和沿吊车梁纵向的水平荷载。
• 纵向水平荷载是指吊车刹车力，其沿轨道方向由吊车梁传给柱间支撑， 计算吊车梁截面时不予考虑。
（1）吊车梁的竖向荷载
吊车梁的竖向荷载标准值应采用吊车最大轮压或最小轮压。吊车沿 轨道运行、起吊、卸载以及工件翻转时将引起吊车梁振动，特别是当吊 车越过轨道接头处的空隙时还将发生撞击，因此在计算吊车梁及其连接 强度时吊车竖向荷载应乘以动力系数。 作用在吊车梁上的最大轮压设计值:
建筑结构荷载规范的规定的吊车工作级别与钢结构设计规范规定的工作制 等级的对应关系：A1-3级，相当于轻级工作制，A4-5为中级工作制，A6-7 为重级工作制， A8为超重级工作制吊车
2.吊车的横向水平荷载
吊车的横向水平荷载由吊车的小车的运行机构在启动或者制动时引起 惯性力产生，以横向水平集中荷载形式作用于吊车轨顶每个吊车轮子 处，方向与吊车梁垂直。 横向水平荷载的指向考虑正反两个方向的刹车情况
构件和连接中应力集中大小和残余应力对钢结构的疲劳强度影响显著
（4）应力循环
1）应力比 ＝min/max 连续重复荷载之下应力从最大到最小重复一周叫做一个循环。
应力循环特征常用应力比来表示，拉应力取正值，压应力取负值。 =－1时，称为完全对称循环； =0时，称为脉冲循环； =1时，为静荷载； 0＜＜1时，为同号应力循环； －1＜＜0时，为异号应力循环。
在不同应力幅作用下，各类构件和连接产生疲劳破坏的应力循环次数不同， 应力幅愈大，循环次数愈少。当应力幅小于一定数值时，即使应力无限次Байду номын сангаас环， 也不会产生疲劳破坏。
应力比变化时，疲劳强度的极限就不同
焊接结构的疲劳
• 例如焊接结构中，焊接工字型板梁在其与腹板相交处的翼缘板内存在 着较大的残余应力，其值可达钢材的屈服点，对疲劳强度影响非常大
e
(10.4)
e—等效常幅疲劳应力幅。 []—常幅疲劳的容许应力幅。
e 计算
根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合为等效常幅疲劳，
将随机变化的应力幅折算为等效应力幅e按下式进行疲劳计算：
1
e
ni
i
ni
(10.5)
公式10.5是根据总的损伤按线性叠加计算
（4）吊车梁疲劳计算
• 设计重级工作制吊车的吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架时， 应力幅是按满载得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。GBJl7-
（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。
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
(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
静力荷载
脉冲循环
完全对称循环
变幅循环
2）应力幅 ——在循环荷载作用下，应力从最大max 到最 小min重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为 应力幅。即 =maxmin 上图中b到e图为等幅循环
（5）应力循环次数（n）对疲劳强度的影响
纵坐标为疲劳强度，横坐标为致损循环次数或疲劳寿命 应力循环次数: 指在连续重复荷载作用下应力由最大到最小的循环次数。
• 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
f n2106
（10.6）
f —欠载效应的等效系数
f
e
n2106 —循环次数为n=2×106次的容许应力幅,
按50年考虑。
【例题10.1】某由双角钢组成的轴心受拉构件，钢材为Q235-B，截面为2∠75
x8，截面积A=2x11.50=23.Ocm2。节点板厚12mm，与角钢用四条侧面角焊缝相 连如图10.5所示。拉杆承受等幅循环荷载，预期应力循环次数n =1.5E6次， 最大荷载标准值Nkmax= 370kN，最小荷载标准值Nkmin=220kN，最大荷载设计值 Nmax= 490kN。焊缝尺寸如图示。试验算此轴心拉杆和连接的静力强度与疲劳 强度
多次重复荷载作用下，裂纹的张和 闭使裂纹逐渐扩展而形成断口的光滑区， 被突然拉断的断口为粗糙区。
（3）构件和连接的构造形式和加工情况对钢结构的疲劳性 能的影响
1．钢材的内部缺陷，如偏析、夹渣、分层、裂纹等； 2．制作过裎中剪切、冲孔、切割； 3．焊接结构中产生的残余应力； 4．焊接缺陷的存在，如：气孔、夹渣、咬肉、未焊透等； 5．非焊接结构的孔洞、刻槽等； 6．构件的截而突变； 7．结构由于安装、温度应力、不均匀沉降等产生的附加应力集中
（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
（2）常幅疲劳验算计算：
[ ] ——焊接结构的应力幅 =maxmin； 非焊接部位的应力幅 =max0.7min，
应力拉为正，压为负。
[ ]——常幅疲劳的容许应力幅
一、吊车梁的荷载
• 吊车在吊车梁上运动产生三个方向的动力荷载：竖向荷载、横向水 平荷载和沿吊车梁纵向的水平荷载。
• 纵向水平荷载是指吊车刹车力，其沿轨道方向由吊车梁传给柱间支撑， 计算吊车梁截面时不予考虑。
（1）吊车梁的竖向荷载
吊车梁的竖向荷载标准值应采用吊车最大轮压或最小轮压。吊车沿 轨道运行、起吊、卸载以及工件翻转时将引起吊车梁振动，特别是当吊 车越过轨道接头处的空隙时还将发生撞击，因此在计算吊车梁及其连接 强度时吊车竖向荷载应乘以动力系数。 作用在吊车梁上的最大轮压设计值:
建筑结构荷载规范的规定的吊车工作级别与钢结构设计规范规定的工作制 等级的对应关系：A1-3级，相当于轻级工作制，A4-5为中级工作制，A6-7 为重级工作制， A8为超重级工作制吊车
2.吊车的横向水平荷载
吊车的横向水平荷载由吊车的小车的运行机构在启动或者制动时引起 惯性力产生，以横向水平集中荷载形式作用于吊车轨顶每个吊车轮子 处，方向与吊车梁垂直。 横向水平荷载的指向考虑正反两个方向的刹车情况
构件和连接中应力集中大小和残余应力对钢结构的疲劳强度影响显著
（4）应力循环
1）应力比 ＝min/max 连续重复荷载之下应力从最大到最小重复一周叫做一个循环。
应力循环特征常用应力比来表示，拉应力取正值，压应力取负值。 =－1时，称为完全对称循环； =0时，称为脉冲循环； =1时，为静荷载； 0＜＜1时，为同号应力循环； －1＜＜0时，为异号应力循环。
在不同应力幅作用下，各类构件和连接产生疲劳破坏的应力循环次数不同， 应力幅愈大，循环次数愈少。当应力幅小于一定数值时，即使应力无限次Байду номын сангаас环， 也不会产生疲劳破坏。
应力比变化时，疲劳强度的极限就不同
焊接结构的疲劳
• 例如焊接结构中，焊接工字型板梁在其与腹板相交处的翼缘板内存在 着较大的残余应力，其值可达钢材的屈服点，对疲劳强度影响非常大
e
(10.4)
e—等效常幅疲劳应力幅。 []—常幅疲劳的容许应力幅。
e 计算
根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合为等效常幅疲劳，
将随机变化的应力幅折算为等效应力幅e按下式进行疲劳计算：
1
e
ni
i
ni
(10.5)
公式10.5是根据总的损伤按线性叠加计算
（4）吊车梁疲劳计算
• 设计重级工作制吊车的吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架时， 应力幅是按满载得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。GBJl7-
（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。
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
(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
静力荷载
脉冲循环
完全对称循环
变幅循环
2）应力幅 ——在循环荷载作用下，应力从最大max 到最 小min重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为 应力幅。即 =maxmin 上图中b到e图为等幅循环
（5）应力循环次数（n）对疲劳强度的影响
纵坐标为疲劳强度，横坐标为致损循环次数或疲劳寿命 应力循环次数: 指在连续重复荷载作用下应力由最大到最小的循环次数。
• 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
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f
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y
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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