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1、1 1 交变应力交变应力 交变应力的特征参数： 上应力D （每一载荷周期内出现的最大应力值max） 下应力u（每一载荷周期内出现的最小应力值min ） 平均应力m， m=（D+ u）/2动载结构动载结构 应力幅度a,a=(D-u)/2 （表示应力变化的幅度） 应力摆幅度 =2a 交变应力的循环特性值, = min/max 当max= -min, =-1时称为对称循环 当max0,min=0, =0时称为脉动循环 当max=min, =1 时为静应力状态 在交变应力的作用下，构件内的最大应力虽然低于材料的屈服极限，但经过长期的载荷交变重复之后，也会突然断裂。即使是塑性较好的材料，断裂前也没有明显
2、的塑性变形。2 2 结构的疲劳强度结构的疲劳强度 试验表明，在交变载荷的作用下，要经过一定次数的应力循环，试件才会发生疲劳断裂。而且在同一循环特性下应力循环中的最大应力越大，试件破坏前经过的循环次数越小；反之，应力循环中的最大应力越小，破坏前经历的循环次数越多。在最大应力减小到某一临界值以后，试件可以进行经历无穷多次应力循环而不发生疲劳破坏。最大应力的这 一临界值称为材料的持久极限（疲劳极限），所以在进行疲劳强度计算时，应以材料的持久极限为极限应力，作为结构设计的依据。 同一材料在不同的循环特性值下，其持久极限的数值是不同的。通常用符号() 表示持久极限，脚标表示应力循环特性，例如0, -1。
3、试验结果表明，对称循环下材料的特久极限最低。3 3 承受动载的焊接接头承受动载的焊接接头 疲劳断裂是金属结构失效的一种主要型式，统计资料表明，由于疲劳而失效的金属结构约占失效结构的90%。 疲劳一般从应力集中处开始，而焊接结构的疲劳又往往是从焊接接头处产生。在焊接接头中，产生疲劳裂纹一般比其它联接形式的循环次数少，这是因为焊接接头中不仅有应力集中，而且这些部位易产生焊接接头缺陷，焊接残余应力也比较高。因此采用合理的接头设计，提高焊缝质量，消除焊接缺陷是防止和减少焊接结构疲劳破坏的重要方面。不同对接接头的缺口状态构件及焊缝的缺口效应 对于焊接接头的缺口状态，人们常用应力线分布来清楚地进行表示，见
4、图4:图4 焊接接头的缺口效应 从图中可清楚地看出，在焊接接头上的部位，也是应力集中的部位，同时也说明越尖锐、越深，则应力集中越高。 当构件受到长度方向的载荷时，在缺口部位产生较高的应力集中，其将阻碍构件的改变，即在应力状态下的材料脆化现象，此外，导致材料脆断的影响因素还有：材料的种类及状态环境温度加载速度图10 对接接头中的应力分布 图11 对接接头中的应力分布 焊接接头中的应力分布状态焊接接头中的应力分布状态图10 对接接头中的应力分布 图11 角接接头中的应力分布 焊接缺陷的形式（一）焊接缺陷的形式（二）改善疲劳强度的工艺措施（一）改善焊缝形状加工打磨焊缝余高打磨焊缝过度部位WIG-重熔
5、等离子-重熔控制焊缝成型特殊的焊条盖面用WIG焊焊缝边缘重熔特殊焊接方法改善疲劳强度的工艺措施（二）消除内应力喷丸锤击局部过载局部加压消除应力退火局部加热喷射方法加载方法机械方法热加工方法( IWE-3/3.13)哈尔滨工业大学 刘雪松2006.5.6承受动载的对接接头设计承受动载的对接接头设计不同板厚的对接接头双层板的对接接头内角焊缝承受动载的对接接头设计承受动载的对接接头设计三层板的对接接头承受动载的对接接头设计承受动载的对接接头设计搭接角焊缝设计搭接角焊缝设计等焊脚长度的焊缝计算长度 a计算长度 a接头设计及焊接中应注意的问题接头设计及焊接中应注意的问题A）应保证构件上的作用力均匀分布，
6、避免不必要的应力集中；B）对不可避免的缺口应尽量布置在低应力区或受压应力区；C）对截面变化较大的部位应采取较大的过渡半径，去除棱边和沟槽等，避免急剧的截面过渡；D）分散作用力在构件上的作用位置，避免点或线性的受力位置；E）应保证焊接接头具有良好的表面质量，避免存在表面缺陷；F）保证良好的焊缝质量，避免产生表面及内在的焊接缺陷。( IWE-3/3.14)哈尔滨工业大学 刘雪松2006.5.6焊接结构疲劳强度设计的一般原则l承载拉伸、弯曲和扭转的构件应采用长而圆的过渡结构以减小刚度的突然变化；l优先采用对接焊缝，尽可能少用角焊缝；l采用带有搭接盖板的搭接接头和弯搭接接头，尽可能不用偏心搭接；l使焊
7、缝位于低应力区，使各种因素引起的缺口效应分散，避免其叠加；l在焊趾、焊根和焊缝端部的缺口前后设置一些缓冲缺口以降低或消除焊缝处缺口部位的应力；焊接结构疲劳强度设计的一般原则l承受横向弯曲的构件应缩短支撑间距以减小弯矩；l横向力应当作用于剪切中心之上，以减小扭矩；l承受拉伸和弯曲的构件如需要加强，则加强件的长度应该小，以减小加强件对构件变形的拘束；l对薄板应合理布置焊缝，以减轻弯曲变形；避免能扰乱力流的开口；但与力流垂直的加强筋板角部应切除；l在特别危险的部位以螺栓接头、铆接接头或锻造连接件来代替焊接接头（又便于装配）。焊接钢结构疲劳强度设计计算-我国钢结构标准我国钢结构标准l我国现行钢结构标准
8、GB-17-88与原设计规范TJ-17-74相比，在钢结构疲劳强度计算中做了一些改动，在TJ-17-74中，基体金属和连接的疲劳计算采用疲劳许用应力，而在GB-17-88中，采用容许应力范围，应力按弹性状态进行计算。l容许应力范围按构件和连接类别以及应力循环次数确定。l在应力循环中，不出现拉应力的部位可不计算疲劳强度。l该计算不适用于在特殊条件下服役构件的疲劳强度，如：构件表面高温、海水腐蚀环境、焊后经消除应力热处理以及低周高应变疲劳等条件。常幅疲劳的计算（依据GB-17-88)焊接部位的应力范围： =max-min非焊接部位的折算应力范围： =max-0.7min设计要求： =（c/n)1/
9、为常幅疲劳的容许应力范围（MPa）其中：n为应力循环次数 c、为常数，根据类别按表计算。注：1、所有对接焊缝均需焊透； 2、项次16中的应力范围取剪应力。表2 参数c、构件和连接类别1234C1940 x10124861x101243.26x101242.18x10124构件和连接类别5678C1.47x101240.96x101240.65x101240.41x10124l对于重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架的疲劳，可作为常幅疲劳按下式计算： af2x106 af 为欠载效应的等效系数，按表3采用； 2x106循环次数为n=2x106时的容许应力范围，按表4采用吊车类别af重级工作
10、制硬钩吊车1.0重级工作制硬钩吊车0.8中级工作制吊车0.5表3 欠载效应的等效系数af表4 循环次数为n=2x106时的容许应力范围（MPa）构件和连接类别12342x106176144118103构件和连接类别56782x10690786959( IWE-3/3.15)哈尔滨工业大学 刘雪松2006.5.6欧洲钢结构协会的钢结构疲劳设计规范l规范的功能 ：为承受疲劳载荷钢结构的评估、制造、检查和维修提供系统的原理和方法。l结构可以承受的应力循环次数取决于：公称应力范围的大小及特定结构的细节类型。其解析表达式为： Rrmrss 其中：-在给定应力循环次数下，以应力范围定义的疲劳强度（如图）。
11、ECCS-TC6用正应力范围表示的疲劳强度曲线欧洲钢结构协会的钢结构疲劳设计规范 图中在双对数坐标上绘出以平行等距直线表示的不同接头类型的疲劳强度，即把纵坐标刻度分为20级(在1001000MPa之间)，每级大约有12%的强度区别。具体可用下式表达： N=cR-m 式中: R 可查表1。ECCS-TC6用正应力范围表示的疲劳强度曲线表1 疲劳强度数值R循环次数类别105细节类型2106常幅疲劳极限5106截止限108R43438033930427124421720317115213612210998160140125112100908071635650454036118103928374665
12、9524641373329266557514540363229252320181615几点说明l表1中细节类型号是寿命为N=2106次应力循环时的R值。细节类型号见表26。l图1中的常幅疲劳极限定义为寿命为5 106次应力循环时的疲劳强度，当构件全部应力范围低于该常幅疲劳极限时，不必进行疲劳计算。l截止限定义寿命为108次应力循环时的疲劳强度，所有低于截止限的应力范围可略去不计。l图1中疲劳强度的各平行线，其m值为3。其数值是以板厚为15mm的试样获得的，当板厚超过25mm时，可用下式估算疲劳强度：l式中R和 Rc细节校正前后的疲劳强度；B为板厚。几点说明l切应力作用导致疲劳失效时，裂纹通常沿
13、着2K角焊缝截面（最大高度截面）扩展，此时m取为5，截止限仍为108次应力循环，但没有常幅疲劳限，见图2。表7为切应力疲劳强度R的数值。105细节类型2106截止限1081468037表7 抗切疲劳强度数值R （MPa)图2 用切应力范围表示的疲劳强度曲线几点说明l设计应力范围e，可采用Miner的累加法则计算：式中：k-应力谱中不同应力范围的总数； i -第i级应力范围值； ni-对应于应力范围i的应力循环次数； N-设计寿命期间内所有应力范围下的循环数的总和。几点说明lrm和rn分别为考虑疲劳强度和载荷的安全系数。对疲劳强度R选取的安全系数rm ，应反映由于局部应力集中、细节尺寸、冶金效应
14、、残余应力、裂纹形状和焊接工序变化等造成的给定结构细节的疲劳强度不稳定性。rs与构件设计中所选用的载荷大小、应力循环次数、设计应力谱的等效常幅化有关。 rm 、 rs在设计中根据结构特性取值，但不应小于1。l本规范只适用于屈服点低于700MPa的各种等级的结构钢。不适用于低周高应变疲劳，即任一标称应力范围超过屈服点s的1.5倍时，不能采用本疲劳评估程序。l本规范没有考虑由于腐蚀引起的疲劳强度降低，服役温度高于150的结构也不能采用本规范进行疲劳评估。国际焊接学会的循环加载焊接钢结构的设计规范(IIW.Doc 639-81)l本规范适用范围：屈服点低于700MPa的碳钢、碳锰钢和细晶粒钢调质钢材
15、的焊接接头。它不针对某一具体产品，也不适用于在严重腐蚀介质下工作的焊接结构。l本规范的出发点：焊接结构的疲劳寿命依赖于结构内各焊接接头的疲劳强度，而焊接接头的疲劳强度主要决定于施加的应力范围和接头类别所决定的应力集中情况。疲劳强度评定程序(IIW.Doc 639-81)l首先根据载荷的历程编制结构工作状态下各个接头的应力谱，再依据本规范提供的相关曲线，按照损伤积累理论计算个接头的疲劳寿命。将计算的寿命与需求的寿命比较，以确定设计接头的取舍。对应力范围保持不变的常幅载荷，可直接将需求的寿命与各有关的S-N曲线所给定的寿命进行比较。具体流程为：载荷历程应力谱焊接接头细部类别相关的S-N曲线损伤积累
16、计算推算寿命与需求寿命比较疲劳强度评定程序的主要内容l应力计算：接头中的应力常为法向应力，再焊缝附近如有开孔或拐角等应力几种因素时，计算中应加以考虑。lS-N曲线：以双对数坐标表示，表达式为N=c/m。m值为S-N双对数曲线的斜率，因而，图中曲线的位置由c值决定。lm的取值在34之间变化，标准给出m=3和m=5两组曲线，它们在2106循环处相交。lN=B/ m为静载条件，不必进行疲劳强度计算。IIW.Doc639-81中的S-N曲线疲劳强度评定程序的主要内容lN=B/ m为静载条件，不必进行疲劳强度计算。对于m=3，B=71010，对于m=3.5，B=71011，此时应力范围的单位为MPa。l应力范围低于疲劳极限（5108循环时的疲劳强度）时，也不必进行疲劳强度计算。l图中各条S-N曲线上标注的接头细节分类对应2106次循环次数的应力范围或疲劳强度值（MPa），接头细节分类见表8。l各接头细节S-N曲线在2106次循环下和相应的应力范围条件下，按公式计算的c值列于表9中。表表8 8 焊接接头的分类焊接接头的分类( IWE-3/3.16)哈尔滨工业大学 刘雪松2006.5.6铁路桥梁（按
