金属结构在两种规范中疲劳强度计算方法的比较

金属结构在两种规范中疲劳强度计算方法的比较

作者：不详阅读：93 次时间：2005-2-28

摘要简要地将金属结构在两种规范中疲劳强度计算方法的异同点进行比较。

关键词疲劳强度计算方法比较

金属结构在《GB3811-83起重机设计规范》与《GBJ17-88钢结构设计规范》中疲劳强度计算方法有较大的区别，现比较如下：

1、控制疲劳寿命因素的比较

GB3811-83提出，结构在循环交变应力作用下，疲劳强度取决于结构的工作级别、材料种类、连接构造型式、结构件的最大应力以及循环特性等。

GBJ17-88中提出，对焊接结构，控制疲劳寿命最重要的因素是连接构造型式和应力幅，而与循环特性没什么重要关系。

2、疲劳强度计算方法的比较

2.1常幅疲劳

GB3811-83疲劳强度设计准则：需要验算处的最大应力σmax应小于或等于疲劳许用应力〔σ〕，即σmax≤〔σ〕。

GBJ17-88疲劳强度设计准则：需要验算处的应力幅△σ小于或等于常幅疲劳容许应力幅〔△σ〕，即△σ≤〔△σ〕。

2.2变幅疲劳

两种规范对变幅疲劳的计算，都是根据线性累积损伤理论进行等效变换，但是又存在不同之处：

GB3811-83中，变幅疲劳计算是按应力状态和应力循环等级将结构划分为八个工作级别，即Ａ1～Ａ8，根据线性累积损伤理论求出各个级别下的疲劳许用应力〔σ-1〕，然后把变幅疲劳按工作级别进行计算，即σmax≤〔σ－１〕，〔σ-1〕为对应工作级别下的基本疲劳许用应力。

GBJ17-88采用方法是从能预测结构在使用寿命期间的设计变幅应力谱，按各应力幅水平出现的频率，根据线性累积损伤理论，求出应力幅为常量的等效应力幅，然后按常幅疲劳计算，计算公式为△σe≤〔△σ〕，式中△σe为常幅疲劳的等效应力幅，σe＝〔∑ni(△σi)β

／∑ni〕１／β确定。

3、对不同构件和连接型式的考虑方法的比较

GB3811-83中，结构件分为非焊接件和焊接件两大类，非焊接件的应力集中情况分为Wo、W 1、W2三种，焊接件的应力集中情况等级分为Ko、K1、K2、K3、K4五种等级。

GBJ17-88将各类型的焊接构件和连接，按连接方式、受力特点和疲劳强度，再适当照顾〔△σ〕-n曲线族的等间隔设置，归纳分类，划分为八类。对非焊接结构，残余拉应力较小，疲劳寿命不仅与应力幅△σ有关，也与名义应力比有关，为此，该规范引入折算应力幅来计算。

4、材料种类影响作用的比较

GB3811-83提出，材料种类是影响结构疲劳强度的重要因素之一，对不同的材料，有不同的许用应力基本值。

GBJ17-88提出，对于焊接结构，当其连接构造细节相同，承受应力幅也相同时，由于钢种（强度等级）不同而产生疲劳寿命差别并不显著，即钢材的静力强度对焊接构件和连接的疲劳强度影响不大。为了简化计算，可不考虑钢材静力等级的差异。

例：计算一个十字接头（焊接）的疲劳强度，焊缝为k型焊缝，设接头受到变化的反复应力，经分类合并成三组，Ａ组最大应力σ1＝70N/mm2，r1＝－0.5，循环次数n1＝2.5×105；Ｂ组σ2＝60N/mm2，r2＝-1.0，n2＝1.25×105；Ｃ组σ3＝30N/mm2，r3＝0，n3＝－1.25×105解：⑴按GB3811－83提供的方法计算：

该接头的寿命比系数Ｋn按下列计算

Kn=∑ni／NO＝5×１０５/（１×１０６）＝０.５

该接头的应力谱系数Ｋp按下列计算

Ｋp＝[（σ１/α１)mn1+(σ2/α2）mn2+(σ3/α3）mn3]

／（σmax）mn∑

式中σmax=σ１，对结构m=3

α１=σr1／σr,α2=σr2／σr,α3=σr3／σr,

令当量的循环特性r=r1=-0.5,因为最大应力σmax=σ１，

因此σ１=σ-0.5／（σ-0.5）=1,σ2=σ-1／σ-0.5=０.８

σ3=σ0／σ-0.5=１.３３

则Kp=(σ１/α1σ１)m·n1/n∑+（σ2/α2σ１)m·n2/n∑

+（σ3/α3σ１)m·n3/n∑＝０.８１６

本例焊缝采用Ｋ型（即对接）焊缝，则应力集中程度为Ｋ3级，其疲劳许用应力基本值〔σ

-1〕NO＝45N/mm2，根据

σrt=5/（3-2r）·σ-1,可求得r=-0.5时的疲劳许用应力

［σ-0.5］NO=5/(3-2×(-0.5))［σ-1］NO＝56.25N/mm2

则可验算该接头是否在有限寿命(n∑)内疲劳破坏

[σ-０.５]*＝［σ-０.５］ＮＯ/ｍ(Ｋｎ·Ｋｐ)＝75.8Ｎ／mm2

在此σmax=σ-1＝７０Ｎ／mm2＜[σ-０.５]*=75.8N/mm2，

该接头安全。

(2)按GBJ17-88提供的计算方法计算

本例焊缝采用Ｋ型（即对接）焊缝，查GBJ17-88中“疲劳计算的构件和分类”属第５类，再查得第５类的n=2×１０６次的容许应力幅为［△σ］n=2×１０６＝９０Ｎ／mm2,β＝３。

计算各循环次数下的应力幅

△σ1=(1-r)σ１=［l-（-０.５）］×７０＝１０５

△σ２＝(１-r)σ２＝［１-（-1.0）］×６０＝１２０

△σ３＝(１-r)σ３＝［１-０］×３０＝３０

变幅疲劳的等效应力幅△σ

△σe＝［∑(ni(△i)β/∑ni)］１／β

=［n1(△σ1)β/n∑+n2(△σ2)β/n∑+

n3(△σ3)β/n∑］1/β

=(2.5×１０５３/５＋１.２５×１２０３/５

＋１.２５×３０３/５）１／３＝１００.５８

△e＞［△σ］＝９０，该接头疲劳破坏。

从两种规范计算方法及结果可见，规范GBJ17—88中疲劳强度计算控制得更为严格。 .