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1、疲劳设计与中外规范介绍,湖南大学张东波2011年3月 列出一个提纲,一、疲劳概述,什么是疲劳即在最大值低于材料静屈服强度的重复或波动张应力作用下形成的渐进、局部和永久性的结构损伤疲劳破坏必要条件 存在拉应力；应力反复；产生塑性变形。疲劳和脆性断裂破坏的区别都为脆性断裂，但疲劳裂纹出现到断裂有相当一段稳定发展期。,疲劳荷载及疲劳分类 高周疲劳行动活荷载：结构应变小，破坏前循环次数多 低周疲劳地震作用：结构应变大，破坏前循环次数小 疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成裂纹的缓慢扩展最后迅速断裂,一、疲劳概念,一、疲劳概念,四个术语 疲劳强度疲劳极限疲劳寿命S-N曲线：,结构的材料特性主要有: 钢材的性
2、能、 构件尺寸、 结构的表面状况。钢材强度影响较小。结构构造主要包括桥梁的结构形式、 构件的连接形式和构造细节。结构的外部因素主要有结构所处的环境以及外界荷载作用产生的应力幅值和循环次数。,钢结构疲劳特征的影响因素：,一、疲劳概念,疲劳断裂破坏的严重性:,一、疲劳概念,疲劳断裂破坏的严重性:,美国Point Pleasant（Silver）Bridge,一、疲劳概念,疲劳断裂破坏的严重性: 钢箱梁桥破坏1969 年11月至1971年11月，时间只是两年，接连有维也纳多瑙河第四桥、英国米尔福港箱形钢梁桥、墨尔本亚拉河西门桥和月科布伦茨箱梁桥共4座钢箱梁大桥在施工阶段出了事。1966 年建成的英国
3、塞文桥在开通5年即发现几处疲劳开裂我国1997年建设开通的广东虎门大桥2003年开始不断出现疲劳裂纹,一、疲劳概念,疲劳断裂破坏的严重性:,虎门大桥钢桥面板疲劳裂纹实况,一、疲劳概念,疲劳断裂破坏的严重性:需要考虑疲劳的正交异性钢桥面板6种构造：(1)纵肋边缘用角焊缝连于面板的构造；(2)纵肋对横梁的连接；(3)纵肋的对接：(4)横梁对桥面板的焊接；(5)箱梁腹板对面板的焊接；(6)桥面板的对接焊。,一、疲劳概念,2.1疲劳设计方法 无限寿命法安全寿命法破损-安全法损伤容限设计耐久性设计,二、疲劳设计,安全寿命设计计算流程,2.1疲劳设计方法 疲劳设计程序：预测整个设计寿命期间完整的荷载序列-
4、荷载谱；计算荷载下结构应力状态；绘制各类细部构造的疲劳曲线；根据疲劳检算原则进行疲劳设计。,二、疲劳设计,2.2应力比准则与应力幅准则 应力比准则对于一定的荷载循环次数，构件（或构造细节）的疲劳强度 和以应力比 为代表的应力循环特征密切相关。对 引进安全系数，即可得到设计用的疲劳应力容许值 TJ17-74规范所规定的疲劳容许应力计算公式：,二、疲劳设计,2.2应力比准则与应力幅准则 应力幅准则对于焊接结构，控制焊接结构疲劳寿命最主要的因素是构件和连接的构造类型和应力幅 ，而非应力比。应力幅 与疲劳寿命n之间呈指数为负数的幂函数关系图3.1 应力幅与循环寿命的关系,二、疲劳设计,2.2应力比准则
5、与应力幅准则 应力幅准则如 符合正态分布，则构件或连接的疲劳强度的保证率为97.7%，称该虚线上的应力幅为对应某疲劳寿命的容许应力幅式中， 、 均为不同构件和连接类别的试验参数，表3.1。对待非焊接构件，GB50017规范一律取有效应力幅：,二、疲劳设计,2.3构造细节分类和应力循环次数GB50017规范在疲劳计算中把构件和连接按连接方式、受力特点、疲劳容许应力幅分为八类。图3.2给出了容许应力幅随疲劳寿命N变化的情况。对应于疲劳寿命为200万次的容许应力幅见表3.2。,二、疲劳设计,图3.2 容许应力幅表3.2疲劳寿命 次的容许应力幅,二、疲劳设计,中国国家标准- 钢结构设计规范(GB500
6、17- 2003)适用于直接承受和在重复作用、应力变化循环次数n 大于 次的构件和连接在一般条件下的高周疲劳。疲劳计算采用了荷载标准值, 按允许应力幅计算方法来验算钢结构构件和连接的疲劳强度。对于非焊接结构构件则采用折算应力幅计算构件分为8 个分类, 考虑了以下主要连接形式: 高强度螺栓摩擦型连接、 连孔构件、 翼缘焊缝、 横向加劲肋、 横向角焊缝连接和节点板连接。对于公路和城市道路桥梁，我国规范还没有制定疲劳设计的车辆荷载谱。,三、各国钢结构规范比较,中美欧钢结构疲劳设计的比较：,欧洲钢结构设计规范 （Eurocode 3: Design of steel structures )欧洲EN
7、1993钢结构设计规范采用破损容限设计法（damage tolerant method）和安全寿命法（safe life method）进行疲劳评定。规范附录给出了疲劳评定方法选择和分项系数 的数值。 推荐值见表4.1。,三、各国钢结构规范比较,欧洲钢结构设计规范 （Eurocode 3: Design of steel structures )名义应力幅疲劳强度曲线由下列公式得到见图4.1：常幅疲劳极限截断极限,三、各国钢结构规范比较,图4.1 按构造分类的变幅荷载（EC3）下 曲线,三、各国钢结构规范比较,欧洲钢结构设计规范 （Eurocode 3: Design of steel str
8、uctures )该规范对构造细节共分14 类。疲劳验算的计算公式如下:该公式采用了极限状态设计表达式, 引进了疲劳荷载的分项系数 和疲劳强度的分项系数 , 根据验算点的重要性和计算状态采用不同的系数,见表4.1。通过2106次循环的损伤等效应力谱来确定。,美国钢结构桥梁设计规范（AASHTO LRFD Bridge Design Specifications）该规范同样采用了安全寿命设计方法, 对于每个细节的计算公式如下:,三、各国钢结构规范比较,美国钢结构桥梁设计规范（AASHTO LRFD Bridge Design Specifications）对于基材在细部用横向受力的角焊连接的情况
9、，其中不连续的板受力，母材的公称疲劳抗力应取 及下列值二者中之较小值：,三、各国钢结构规范比较,美国钢结构桥梁设计规范（AASHTO LRFD Bridge Design Specifications）规范中将构造细节分为A、 B、 B 、 C、 D、 E、 E 和F 等8 类。表4.2常幅疲劳临界值图4.3 应力范围与循环次数,三、各国钢结构规范比较,国外公路桥梁荷载谱比较：,三、各国钢结构规范比较,英国标准BS5400钢桥、混凝土桥及结合桥BS5400将公路车辆标准荷载谱分为三种方式：典型车辆标准荷载谱；标准疲劳车荷载谱；轴重荷载谱。英国公路桥标准疲劳车示意图（尺寸单位：mm）,国外公路桥
10、梁荷载谱比较：,三、各国钢结构规范比较,欧洲钢结构设计规范 （Eurocode 3: Design of steel structures )用于疲劳验算的疲劳荷载模型见图4.2所示：EN1993- 2 公路钢结构桥梁规范的疲劳车模型,国外公路桥梁荷载谱比较：,三、各国钢结构规范比较,美国钢结构桥梁设计规范（AASHTO LRFD Bridge Design Specifications）疲劳荷载加载模型见图4.4，但两145kN车轴间距为9.0m。图4.4 疲劳荷载模型,正交异性板细节分级及要求对比：,三、各国钢结构规范比较,桥面板或肋条的焊拼，单面坡口焊,桥面板栓接或肋条焊拼,正交异性板细节分级及要求对比：,三、各国钢结构规范比较,桥面板或肋条的焊拼，双面坡口焊,正交异性板细节分级及要求对比：,三、各国钢结构规范比较,纵肋与横梁交叉处的纵肋,正交异性板细节分级及要求对比：,三、各国钢结构规范比较,正交异性板细节分级及要求对比：,三、各国钢结构规范比较,给肋与横梁连接处的横梁,四、疲劳问题研究方法,图3.1疲劳问题研究方法,
