疲勞設(shè)計(jì)與中外規(guī)范介紹

1、疲勞設(shè)計(jì)與中外規(guī)范介紹疲勞設(shè)計(jì)與中外規(guī)范介紹湖南大學(xué)湖南大學(xué)張東波張東波 2011年年3月月列出一個(gè)提綱列出一個(gè)提綱疲勞一、疲勞概述什么是疲勞 即在最大值低于材料靜屈服強(qiáng)度的重復(fù)或波動(dòng)張應(yīng)力作用下形成的漸進(jìn)、局部和永久性的結(jié)構(gòu)損傷疲勞破壞必要條件存在拉應(yīng)力；應(yīng)力反復(fù)；產(chǎn)生塑性變形。疲勞和脆性斷裂破壞的區(qū)別 都為脆性斷裂，但疲勞裂紋出現(xiàn)到斷裂有相當(dāng)一段穩(wěn)定發(fā)展期。疲勞疲勞荷載及疲勞分類高周疲勞 行動(dòng)活荷載 ：結(jié)構(gòu)應(yīng)變小，破壞前循環(huán)次數(shù)多低周疲勞 地震作用 ：結(jié)構(gòu)應(yīng)變大，破壞前循環(huán)次數(shù)小疲勞破壞經(jīng)歷三個(gè)階段： 裂紋的形成裂紋的緩慢擴(kuò)展最后迅速斷裂一、疲勞概念疲勞一、疲勞概念四個(gè)術(shù)語(yǔ)n疲勞強(qiáng)度n疲勞

2、極限n疲勞壽命nS-N曲線：疲勞 結(jié)構(gòu)的材料特性主要有: 鋼材的性能、 構(gòu)件尺寸、 結(jié)構(gòu)的表面狀況。鋼材強(qiáng)度影響較小。 結(jié)構(gòu)構(gòu)造主要包括橋梁的結(jié)構(gòu)形式、 構(gòu)件的連接形式和構(gòu)造細(xì)節(jié)。 結(jié)構(gòu)的外部因素主要有結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境以及外界荷載作用產(chǎn)生的應(yīng)力幅值和循環(huán)次數(shù)。鋼結(jié)構(gòu)疲勞特征的影響因素：一、疲勞概念疲勞疲勞斷裂破壞的嚴(yán)重性:一、疲勞概念疲勞疲勞斷裂破壞的嚴(yán)重性:美國(guó)Point Pleasant（Silver）Bridge一、疲勞概念疲勞疲勞斷裂破壞的嚴(yán)重性:n鋼箱梁橋破壞l1969 年11月至1971年11月，時(shí)間只是兩年，接連有維也納多瑙河第四維也納多瑙河第四橋、英國(guó)米爾福港箱形鋼梁橋、墨爾本亞

3、拉河西門橋和月科布倫茨箱梁橋、英國(guó)米爾福港箱形鋼梁橋、墨爾本亞拉河西門橋和月科布倫茨箱梁橋橋共4座鋼箱梁大橋在施工階段出了事。l1966 年建成的英國(guó)塞文橋英國(guó)塞文橋在開通5年即發(fā)現(xiàn)幾處疲勞開裂l我國(guó)1997年建設(shè)開通的廣東虎門大橋廣東虎門大橋2003年開始不斷出現(xiàn)疲勞裂紋一、疲勞概念疲勞疲勞斷裂破壞的嚴(yán)重性: 虎門大橋鋼橋面板疲勞裂紋實(shí)況一、疲勞概念疲勞疲勞斷裂破壞的嚴(yán)重性:n需要考慮疲勞的正交異性鋼橋面板6種構(gòu)造：u(1)縱肋邊緣用角焊縫連于面板的構(gòu)造；u(2)縱肋對(duì)橫梁的連接；u(3)縱肋的對(duì)接：u(4)橫梁對(duì)橋面板的焊接；u(5)箱梁腹板對(duì)面板的焊接；u(6)橋面板的對(duì)接焊。 一、疲勞

4、概念疲勞2.1疲勞設(shè)計(jì)方法n無限壽命法n安全壽命法n破損-安全法n損傷容限設(shè)計(jì)n耐久性設(shè)計(jì)二、疲勞設(shè)計(jì)安全壽命設(shè)計(jì)計(jì)算流程疲勞2.1疲勞設(shè)計(jì)方法n疲勞設(shè)計(jì)程序：疲勞設(shè)計(jì)程序：u預(yù)測(cè)整個(gè)設(shè)計(jì)壽命期間完整的荷載序列-荷載譜；u計(jì)算荷載下結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)；u繪制各類細(xì)部構(gòu)造的疲勞曲線；u根據(jù)疲勞檢算原則進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)。二、疲勞設(shè)計(jì)疲勞2.2應(yīng)力比準(zhǔn)則與應(yīng)力幅準(zhǔn)則n應(yīng)力比準(zhǔn)則對(duì)于一定的荷載循環(huán)次數(shù)，構(gòu)件（或構(gòu)造細(xì)節(jié)）的疲勞強(qiáng)度 和以應(yīng)力比 為代表的應(yīng)力循環(huán)特征密切相關(guān)。對(duì) 引進(jìn)安全系數(shù)，即可得到設(shè)計(jì)用的疲勞應(yīng)力容許值 TJ17-74規(guī)范所規(guī)定的疲勞容許應(yīng)力計(jì)算公式：二、疲勞設(shè)計(jì)maxmaxmax0max1p

5、pk疲勞2.2應(yīng)力比準(zhǔn)則與應(yīng)力幅準(zhǔn)則n應(yīng)力幅準(zhǔn)則對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)，控制焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命最主要的因素是構(gòu)件和連接的構(gòu)造類型和應(yīng)力幅 ，而非應(yīng)力比。應(yīng)力幅 與疲勞壽命n之間呈指數(shù)為負(fù)數(shù)的冪函數(shù)關(guān)系圖3.1 應(yīng)力幅與循環(huán)壽命的關(guān)系二、疲勞設(shè)計(jì)maxmin疲勞2.2應(yīng)力比準(zhǔn)則與應(yīng)力幅準(zhǔn)則n應(yīng)力幅準(zhǔn)則如 符合正態(tài)分布，則構(gòu)件或連接的疲勞強(qiáng)度的保證率為97.7%，稱該虛線上的應(yīng)力幅為對(duì)應(yīng)某疲勞壽命的容許應(yīng)力幅式中， 、 均為不同構(gòu)件和連接類別的試驗(yàn)參數(shù)，表3.1。對(duì)待非焊接構(gòu)件，GB50017規(guī)范一律取有效應(yīng)力幅：二、疲勞設(shè)計(jì)lgn1/Cnmaxmin0.7C疲勞2.3構(gòu)造細(xì)節(jié)分類和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)GB50017

6、規(guī)范在疲勞計(jì)算中把構(gòu)件和連接按連接方式、受力特點(diǎn)、疲勞容許應(yīng)力幅分為八類。圖3.2給出了容許應(yīng)力幅隨疲勞壽命N變化的情況。對(duì)應(yīng)于疲勞壽命為200萬次的容許應(yīng)力幅見表3.2。二、疲勞設(shè)計(jì)疲勞 圖3.2 容許應(yīng)力幅表3.2疲勞壽命 次的容許應(yīng)力幅二、疲勞設(shè)計(jì)62 10疲勞n中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)- 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017- 2003)適用于直接承受和在重復(fù)作用、應(yīng)力變化循環(huán)次數(shù)n 大于 次的構(gòu)件和連接在一般條件下的高周疲勞。疲勞計(jì)算采用了荷載標(biāo)準(zhǔn)值, 按允許應(yīng)力幅計(jì)算方法來驗(yàn)算鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接的疲勞強(qiáng)度。對(duì)于非焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)件則采用折算應(yīng)力幅計(jì)算構(gòu)件分為8 個(gè)分類, 考慮了以下主要連接形式: 高強(qiáng)度螺栓

7、摩擦型連接、 連孔構(gòu)件、 翼緣焊縫、 橫向加勁肋、 橫向角焊縫連接和節(jié)點(diǎn)板連接。對(duì)于公路和城市道路橋梁，我國(guó)規(guī)范還沒有制定疲勞設(shè)計(jì)的車輛荷載譜。三、各國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范比較45 10中美歐鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)的比較：疲勞n歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 （Eurocode 3: Design of steel structures )歐洲EN 1993鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范采用破損容限設(shè)計(jì)法（damage tolerant method）和安全壽命法（safe life method）進(jìn)行疲勞評(píng)定。規(guī)范附錄給出了疲勞評(píng)定方法選擇和分項(xiàng)系數(shù) 的數(shù)值。 推薦值見表4.1。三、各國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范比較MfMf疲勞n歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 （

8、Eurocode 3: Design of steel structures )名義應(yīng)力幅疲勞強(qiáng)度曲線由下列公式得到見圖4.1：常幅疲勞極限截?cái)鄻O限三、各國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范比較662 105 10mmRRcmmRRDNN 6685 1035 10103NmNm 時(shí)， 時(shí)，1/320.7375Dc1/550.549100LDD圖4.1 按構(gòu)造分類的變幅荷載（EC3）下 曲線N疲勞三、各國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范比較n歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 （Eurocode 3: Design of steel structures )該規(guī)范對(duì)構(gòu)造細(xì)節(jié)共分14 類。疲勞驗(yàn)算的計(jì)算公式如下:該公式采用了極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式, 引進(jìn)了疲勞荷

9、載的分項(xiàng)系數(shù) 和疲勞強(qiáng)度的分項(xiàng)系數(shù) , 根據(jù)驗(yàn)算點(diǎn)的重要性和計(jì)算狀態(tài)采用不同的系數(shù),見表4.1。 通過2106次循環(huán)的損傷等效應(yīng)力譜來確定。22cFfEMfcFfEMf22Ep,max,minpppFfMfMf2E疲勞n美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范（AASHTO LRFD Bridge Design Specifications）該規(guī)范同樣采用了安全壽命設(shè)計(jì)方法, 對(duì)于每個(gè)細(xì)節(jié)的計(jì)算公式如下:三、各國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范比較()()nfF 131()()()2nTHAFFN疲勞n美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范（AASHTO LRFD Bridge Design Specifications）對(duì)于基材在細(xì)部用橫向受力的

10、角焊連接的情況，其中不連續(xù)的板受力，母材的公稱疲勞抗力應(yīng)取 及下列值二者中之較小值：三、各國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范比較()CnF1/60.094 1.23()()pCnnpHtFFt 疲勞n美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范（AASHTO LRFD Bridge Design Specifications）規(guī)范中將構(gòu)造細(xì)節(jié)分為A、 B、 B 、 C、 D、 E、 E 和F 等8 類。表4.2常幅疲勞臨界值 圖4.3 應(yīng)力范圍與循環(huán)次數(shù) 三、各國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范比較疲勞國(guó)外公路橋梁荷載譜比較：三、各國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范比較n英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS5400鋼橋、混凝土橋及結(jié)合橋 BS5400將公路車輛標(biāo)準(zhǔn)荷載譜分為三種方式：典型車輛標(biāo)準(zhǔn)荷載譜；

11、標(biāo)準(zhǔn)疲勞車荷載譜；軸重荷載譜。 英國(guó)公路橋標(biāo)準(zhǔn)疲勞車示意圖（尺寸單位：mm）疲勞國(guó)外公路橋梁荷載譜比較：三、各國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范比較n歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 （Eurocode 3: Design of steel structures )用于疲勞驗(yàn)算的疲勞荷載模型見圖4.2所示：EN1993- 2 公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁規(guī)范的疲勞車模型疲勞國(guó)外公路橋梁荷載譜比較：三、各國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范比較n美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范（AASHTO LRFD Bridge Design Specifications）疲勞荷載加載模型見圖4.4，但兩145kN車軸間距為9.0m。圖4.4 疲勞荷載模型疲勞正交異性板細(xì)節(jié)分級(jí)及要求對(duì)比：三、各國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范比較 橋面板或肋條的焊拼，單面坡口焊 橋面板栓接或肋條焊