钢结构疲劳分析.pdf

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1、钢结构疲劳问题钢结构疲劳问题疲劳现象fatigue在连续反复（循环）荷载作用下，当应力低于抗拉强度甚至低于屈服强度便发生突然脆性断裂。这种现象称钢材疲劳破坏。1钢结构疲劳问题钢结构疲劳问题必要性：现代各个工业领域中，80%以上的结构破坏是由于疲劳造成。1967年12月15日，美国西弗吉利亚州的PointPleasant大桥在没有任何征兆的情况下突然倒塌，造成46人死亡，调查结果显示是由于一拉杆下缘产生解理断裂。1990年荷兰建成的Bascule桥尽在运营7年之后就观测到危机桥梁安全的严重的疲劳开裂。2钢结构疲劳问题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

2、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）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，

3、其余部分粗糙；5钢结构疲劳问题钢结构疲劳问题有拉应力裂缝张开无拉应力裂缝闭合6钢结构疲劳问题钢结构疲劳问题疲劳破坏机理2）反复荷载下微裂纹发展成宏观裂纹反复荷载下微裂纹尖端应力集中、材料硬化，裂纹开展，出现宏观裂纹。裂纹尖端应力集中使裂纹开展7钢结构疲劳问题钢结构疲劳问题疲劳破坏机理3）宏观裂纹发展，断面削弱，脆性断裂8钢结构疲劳问题钢结构疲劳问题应力比与应力幅应力比：R=/minmax应力幅：循环一周最大、最小应力差=-maxmintt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

4、吊车梁属变幅疲劳，因为起吊重量有时满载，有时欠载。9钢结构疲劳问题钢结构疲劳问题a）静应力R=1b）脉动循环应力R=0c)对称循环应力R=-110钢结构疲劳问题钢结构疲劳问题疲劳极限：当循环系数R一定时，应力循环N次后材料不发生疲劳破坏时的最大应力。疲劳曲线：对一个试件在循环系数R一定的条件下材料的最大应力max（疲劳极限）与应力循环次数N的关系。11钢结构疲劳问题钢结构疲劳问题疲劳试验对于不同的应力可以到不同的循环次数。光滑试件的疲劳强度明显高于带槽试件。原因：带槽试件的应力集中使疲劳强度降低。应力集中是研究疲劳问题的重要因素12钢结构疲劳问题钢结构疲劳问题有横向对接焊缝的

5、试件的疲劳强度随焊缝的余高角度的变化。角度愈小，应力集中愈严重，疲劳强度愈低。构造细节是设计承受疲劳荷载的重要因素13钢结构疲劳问题钢结构疲劳问题角焊缝连接试件在不同应力循环特征值作用下应力循环次数。随着应力特征值的增大疲劳强度增大，但这对于轧制钢材和非焊接结构而言的，对于焊接结构则直接与应力幅相关。14钢结构疲劳问题钢结构疲劳问题A的纵坐标是在N=N1时，交变循环荷载作用下的maxB的纵坐标是N=N1时，R=0时的疲劳强度C的纵坐标是N=N1时，R=0.5的疲劳强度D的纵坐标是N=N1时，R=1的疲劳强度而当N2

6、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）16钢结构疲劳问题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，

7、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18钢结构疲劳问题钢结构疲劳问题腐蚀疲劳：在腐蚀介质的作用下，构件的小裂纹会随之时间而扩展，因此会损害构件的疲劳寿命。1.真空容器试件疲劳试验2.空气中试件疲劳试验3.预先浸入腐蚀液体后取出的试件疲劳试验4.在腐蚀介质中的疲劳试件的疲劳试验显然在腐蚀介质中的疲劳试验寿命降低的最大，因此在海水腐蚀作用下的结构其疲劳设计不同于一般结构，也已经成为一门重要的研究课题。19钢结构疲劳问题钢结构疲劳问题其他原因：行动活荷载；焊接缺陷：