当代钢桥疲劳理论与设计(欧洲规范)

2）结构细节
影响疲劳性能的若干因素
1 钢结构疲劳概述
2）结构细节
影响疲劳性能的若干因素
1 钢结构疲劳概述
2）结构细节
4
影响疲劳性能的若干因素
1 钢结构疲劳概述
2）结构细节
2013-5-16
影响疲劳性能的若干因素
1 钢结构疲劳概述
2）结构细节
影响疲劳性能的若干因素
2）结构细节 采用打磨的方法增加表面光洁度， 采用超声波或锤击法增加减少焊接残余拉应力 表面处理的影响
良好的结构设计细节可以提高疲劳强度并减小应力集中系数。要 注意细节设计，研究细节处的应力应变，尽可能减小应力集中。
表面光洁度的影响，表面处理的影响。 疲劳损伤的结果是形成裂纹，有裂纹萌生-扩展-断裂三个阶段。
影响疲劳性能的若干因素
2）结构细节
规范编号
细节描述
细节种类
Table 8.1 plain members and mechanically fastened joints
Fatigue Behavior and Design of Modern Steel Bridges based on Eurocode
1 05.01.2013
0 09.11.2010
Issue
Date
Y.L.Wang Y.L.Wang
Author
Renier Saul Checked
Modification of document Creation of document Modification
1 钢结构疲劳概述 镜面抛光
精磨
机械加工
热轧
锻造 盐水腐蚀
700
1000 1300
抗拉强度 (Mpa)
加工时的划痕、碰伤(尤其 在孔、台阶等高应力区)，可能是潜在的裂纹源，应 当注意防止碰划。高强螺栓在推刀槽处断裂。
5
影响疲劳性能的若干因素
1 钢结构疲劳概述
疲劳裂纹常起源于表面。 在表面引入压缩残余应力，可提高疲劳寿命。
MPa
A
1 Prestressing bars
105
2 Fully locked coil rope with metal or resin socketing
150
B
3 Spiral strands with metal or resin socketing
150
4 Parallel wire strands with epoxy socketing
的深度和长度，根据荷载循环次数和应力幅，计算出材料的应力强度 因子设计值，再根据材料冲击功和设计最低温度等影响因素计算出含 裂纹材料的断裂韧性，根据材料的断裂韧性和应力强度因子计算出极 限裂纹长度，在疲劳裂纹的长度发展到极限裂纹长度的30%-50%时及 时对疲劳裂纹进行修补。
7
3）损伤容限法
2 疲劳设计的几种方法
Fatigue Behavior and Design of Modern Steel Bridges based on Eurocode
当代钢桥疲劳理论与设计
(基于欧洲规范版本) 第二版
For：中铁第一勘测设计院集团有限公司 By: Yingliang Wang (王应良) PhD Prof. CEng MECCS On：January 2013
2
Table 8.10 top flange to web junctions of runway beams
7
影响疲劳性能的若干因素
1 钢结构疲劳概述
2）结构细节
EN 1993-1-11 中高强钢的疲劳细节 6种
Group
Group Tension components Detail category
40 36
常幅疲劳极限
118 103 92 83
74
66 59 52 46 41 37 33
12
合计 96 Table 8.6 hollow sections
9
种疲劳 Table 8.7 lattice girder node joints
4
细节
Table 8.8 orthotropic decks – closed stringers
8
Table 8.9 orthotropic decks – open stringers
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Lg S
参数 A=LgC/m, B=-1/m。
Const的物理意义：
Sf 3 4 5 6 7 Lg N
假想应力幅Δσ=1.0时，N=C，因此C就是应力幅为单位值时假想的疲劳 致伤系数。
9
2 疲劳设计的几种方法
2. 疲劳强度的数学表达
1) 幂函数式
Δ
σ
m 1
×
N1
=
Δσ
m 2
×
N2
=
Δσ
×
N
=
Const
表面喷丸；销、轴、螺栓冷挤压；干涉配合等； 都可在表面引入残余压应力,提高寿命。
材料强度越高，循环应力水平越低，寿命越长，效 果越好。在缺口应力集中处采用,效果更好。
残余拉应力则有害。焊接、气割、磨削等会引入 残余拉应力，使疲劳强度降低或寿命减小。
疲劳设计常用的四种方法： 1）无限寿命设计 2）安全寿命设计 3) 损伤容限设计 4) 耐久性经济寿命分析
yingliangwangcd@aliyun.com
Contents
1 钢结构疲劳概述 2 疲劳设计的几种方法 3 桥梁的疲劳加载模式 4 基于损伤等效系数法的疲劳设计理论 5 桥梁疲劳设计三个实例
2013-5-16
版权申明
本材料包括诸多国外著名设计公司的原始设计图纸和照片，未经 作者允许禁止以任何方式复制和传播。
疲劳裂纹扩展机理
“塑性钝化模型” C. Laird(1967)
a. 开始时的裂尖形状； b. 应力增加，裂纹张开，
裂尖材料沿τmax方向滑移； c. 充分张开，裂尖钝化，
S c
b
0a
(a)
(b) d
t (c) e
(d)
塑性钝化过程
(e)
开创新表面；
d. 卸载,裂纹收缩，但新开创的裂纹面却不能消失;
e. 裂纹锐化，但已扩展了一个Δa。
1 钢结构疲劳概述
影响疲劳性能的若干因素
1.0
2）结构细节
表面光洁度的影响
由疲劳破坏机理知，表面粗糙，局 部应力集中增大，裂纹萌生寿命缩短。 尤其要注意焊缝的打磨。
表 0.8 面 光 洁 0.6 度 系 数 0.4
0.2
材料强度越高，光洁度的影响越大；应 力水平越低，寿命越长，光洁度的影响 越大。
0 400
160
C
5 Bundle of parallel strands
160
6 Bundle of parallel wires
160
2
影响疲劳性能的若干因素
EN 1993-1-11 中高强钢的疲 劳细节 6种
1 钢结构疲劳概述
2）结构细节
影响疲劳性能的若干因素
2）结构细节 在EN1993-1-9中将结构细节的疲 劳强度分为14大类。
ห้องสมุดไป่ตู้
2 疲劳设计的几种方法
2）安全寿命法
安全寿命设计：依据S-N、ε-N曲线和Miner理 论、相对Miner理论进行。
恒幅载荷
S-N曲线 ε-N曲线
寿命 预测
有限寿 命设计
随机 载荷
雨流 计数
变幅
Miner
载荷 累积损伤理论
2 疲劳设计的几种方法
3）损伤容限法 假定结构细节存在初始裂纹，首先根据结构细节，假定初始裂纹
地预测结构中的损伤增长。
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3）损伤容限法
2 疲劳设计的几种方法
损伤容限设计原理基本原理
剩余强度曲线
σ R <K C/Y π a
结
构
强
σ max
度
或
检查期
载
正常工作载荷
荷
a 0 损伤增长曲线
使用寿命
损
伤
长可
度检
a裂
纹
a
c
长 度 ai
假定存在初 始损伤a0； 预测损伤增 长曲线、剩 余强度曲线, 合理安排检 查与修理， 保证安全。
2 疲劳设计的几种方法
耐久性经济寿命分析：
考虑裂纹群及其扩展，考虑使用载荷下的 结构损伤状态，考虑维修经济性。 综合控制安全、功能和经济。
不同疲劳设计方法之间相互补充、完 善，以满足不同的情况、不同的要求。
8
2 疲劳设计的几种方法
初始裂纹 Beach mark
断裂区域
疲劳问题研究方法
裂纹扩展规律 断裂力学规律
疲劳强度：36MPa 到 160MPa
目前欧洲规范中各种疲劳细节合 计102个。
影响疲劳性能的若干因素
2）结构细节
1 钢结构疲劳概述
影响疲劳性能的若干因素
2）结构细节
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1 钢结构疲劳概述
1 钢结构疲劳概述
3
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。
1 钢结构疲劳概述
1 钢结构疲劳概述
影响疲劳性能的若干因素
2 疲劳设计的几种方法
3 损伤容限设计三要素
剩余强度曲线： 用断裂力学方法分析；
损伤增长曲线： 进行疲劳裂纹扩展分析；
检查周期 检出能力与概率统计分析。
剩余强度曲线
结
构σ 强 max
度 或
检查期
载 正常工作载荷
荷
损
伤
长 度
可 检
a裂
纹
ac
长 度a i
a 0 损伤增长曲线 使用寿命
目标是：以检查控制损伤的程度，保证结构安全。 关键是：随机谱下的损伤累积方法，尽可能正确
2 疲劳设计的几种方法
影响疲劳性能的若干因素
3）材料特性
4）环境
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1 钢结构疲劳概述
2 疲劳设计的几种方法
疲劳设计的方法： 以前钢桥设计采用大多安全寿命设计法，欧洲在21世纪大量使用
损伤容限法。其实损伤容限法包含了安全寿命法。损伤容限设计是假 定构件内部存在初始裂纹，再用断裂力学方法来估算其剩余寿命，并 通过完善的检测方案来监测疲劳裂纹的扩展，当疲劳裂纹达到一个预 设尺寸时，就对部分构件加以维修或更换，保证结构继续安全使用。
6
2 疲劳设计的几种方法
1）无限寿命的疲劳理论和断裂力学理论解释
不萌生裂纹：σa≤ σ L
裂纹不扩展： ΔK≤ΔKth
2）安全寿命法 在结构的使用期限内，结构 细节的疲劳应力幅小于疲劳 强度，保证结构在其使用寿 命内不发生疲劳破坏。 一般采用200万次的疲劳强度。
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2 疲劳设计的几种方法
应力状态 序号 105
1
434
2
380
3
339
4
304
5
271
6
244
7
217
8
193
9
171
10 152
11
136
12 122
13 109
正应力 Δσ
14
98
剪应力
Δτ(m=5)
15 146
2 疲劳设计的几种方法
细节类型 2×106
160 140 125
112
100
90 80 71 63 56 50 45
15
Table 8.2 welded built-up sections
11
Table 8.3 transverse butt welds
19
EN
1993-1-9 Table 8.4 weld attachments and stiffeners
9
Table 8.5 load carrying welded joints
109 62 Nb pages
疲劳的定义
在某点或某些点承受循环 应力，且在足够多的循环 之后形成裂纹或完全断裂 的材料中所发生的局部永 久结构变化的发展过程， 称为疲劳。
公路桥梁中可能 出现疲劳的位置
1 钢结构疲劳概述
1
影响疲劳性能的若干因素
1 钢结构疲劳概述
1) 应力幅 2) 结构细节 3) 材料特性 4) 环境
裂纹张开、钝化、锐化、扩展，每一个应力循环，将 在裂纹面上留下一条痕迹。
2 疲劳设计的几种方法
2. 疲劳强度的数学表达
1) 幂函数式
Δσ
m 1
×
N1
=
Δσ
m 2
×
N2
=
Δσ
×
N
=
Const
m与C是与材料、应力比、加载方式等有关的参数。
二边取对数，有: lg Δσ=A+B lgN S-N间有对数线性关系；
恒幅载荷
S ，R=-1
实验研究
缺口影响
尺寸、光洁度 等影响
基本疲劳性能 S-N曲线
平均应力的影响 Goodman直线
变幅载荷
Miner 累积损伤理论
雨流计数法
2 疲劳设计的几种方法
损伤容限设计 构件S-N曲线 （各种修正）
无限寿 寿 命设计 命 预 安全寿 测 命设计
随机载荷
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2 疲劳设计的几种方法
S
S
S
Smax
ΔS
0
恒幅循环
t0
变幅循环 t 0 随机载荷 t
图1.1 疲劳载荷形式分类
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影响疲劳性能的若干因素
1 钢结构疲劳概述
2）结构细节
结构细节的几何形状是疲劳裂纹出现的位置和裂纹扩展速率的决 定性因素。疲劳破坏由应力或应变较高的局部开始，形成损伤并逐渐 累积，导致破坏发生。可见，局部性是疲劳的明显特点。