疲勞設計與中外規(guī)范介紹.ppt

1、疲勞設計與中外規(guī)范介紹,湖南大學 張東波 2011年3月 列出一個提綱,一、疲勞概述,什么是疲勞 即在最大值低于材料靜屈服強度的重復或波動張應力作用下形成的漸進、局部和永久性的結構損傷 疲勞破壞必要條件 存在拉應力；應力反復；產生塑性變形。 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)到斷裂有相當一段穩(wěn)定發(fā)展期。,疲勞荷載及疲勞分類 高周疲勞 行動活荷載 ：結構應變小，破壞前循環(huán)次數(shù)多 低周疲勞 地震作用 ：結構應變大，破壞前循環(huán)次數(shù)小 疲勞破壞經歷三個階段： 裂紋的形成 裂紋的緩慢擴展 最后迅速斷裂,一、疲勞概念,一、疲勞概念,四個術語 疲勞強度 疲勞極限 疲勞壽命 S-N曲線：,

2、結構的材料特性 主要有: 鋼材的性能、 構件尺寸、 結構的表面狀況。鋼材強度影響較小。 結構構造 主要包括橋梁的結構形式、 構件的連接形式和構造細節(jié)。 結構的外部因素 主要有結構所處的環(huán)境以及外界荷載作用產生的應力幅值和循環(huán)次數(shù)。,鋼結構疲勞特征的影響因素：,一、疲勞概念,疲勞斷裂破壞的嚴重性:,一、疲勞概念,疲勞斷裂破壞的嚴重性:,美國Point Pleasant（Silver）Bridge,一、疲勞概念,疲勞斷裂破壞的嚴重性: 鋼箱梁橋破壞 1969 年11月至1971年11月，時間只是兩年，接連有維也納多瑙河第四橋、英國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共4座鋼箱梁

3、大橋在施工階段出了事。 1966 年建成的英國塞文橋在開通5年即發(fā)現(xiàn)幾處疲勞開裂 我國1997年建設開通的廣東虎門大橋2003年開始不斷出現(xiàn)疲勞裂紋,一、疲勞概念,疲勞斷裂破壞的嚴重性:,虎門大橋鋼橋面板疲勞裂紋實況,一、疲勞概念,疲勞斷裂破壞的嚴重性: 需要考慮疲勞的正交異性鋼橋面板6種構造： (1)縱肋邊緣用角焊縫連于面板的構造； (2)縱肋對橫梁的連接； (3)縱肋的對接： (4)橫梁對橋面板的焊接； (5)箱梁腹板對面板的焊接； (6)橋面板的對接焊。,一、疲勞概念,2.1疲勞設計方法 無限壽命法 安全壽命法 破損-安全法 損傷容限設計 耐久性設計,二、疲勞設計,安全壽命設計計算流程,

4、2.1疲勞設計方法 疲勞設計程序： 預測整個設計壽命期間完整的荷載序列-荷載譜； 計算荷載下結構應力狀態(tài)； 繪制各類細部構造的疲勞曲線； 根據(jù)疲勞檢算原則進行疲勞設計。,二、疲勞設計,2.2應力比準則與應力幅準則 應力比準則 對于一定的荷載循環(huán)次數(shù)，構件（或構造細節(jié)）的疲勞強度 和以應力比 為代表的應力循環(huán)特征密切相關。對 引進安全系數(shù)，即可得到設計用的疲勞應力容許值 TJ17-74規(guī)范所規(guī)定的疲勞容許應力計算公式：,二、疲勞設計,2.2應力比準則與應力幅準則 應力幅準則 對于焊接結構，控制焊接結構疲勞壽命最主要的因素是構件和連接的構造類型和應力幅 ，而非應力比。應力幅 與疲勞壽命n之間呈指數(shù)

5、為負數(shù)的冪函數(shù)關系 圖3.1 應力幅與循環(huán)壽命的關系,二、疲勞設計,2.2應力比準則與應力幅準則 應力幅準則 如 符合正態(tài)分布，則構件或連接的疲勞強度的保證率為97.7%，稱該虛線上的應力幅為對應某疲勞壽命的容許應力幅 式中， 、 均為不同構件和連接類別的試驗參數(shù)，表3.1。 對待非焊接構件，GB50017規(guī)范一律取有效應力幅：,二、疲勞設計,2.3構造細節(jié)分類和應力循環(huán)次數(shù) GB50017規(guī)范在疲勞計算中把構件和連接按連接方式、受力特點、疲勞容許應力幅分為八類。圖3.2給出了容許應力幅隨疲勞壽命N變化的情況。對應于疲勞壽命為200萬次的容許應力幅見表3.2。,二、疲勞設計,圖3.2 容許應力

6、幅 表3.2疲勞壽命 次的容許應力幅,二、疲勞設計,中國國家標準- 鋼結構設計規(guī)范(GB50017- 2003) 適用于直接承受和在重復作用、應力變化循環(huán)次數(shù)n 大于 次的構件和連接在一般條件下的高周疲勞。 疲勞計算采用了荷載標準值, 按允許應力幅計算方法來驗算鋼結構構件和連接的疲勞強度。對于非焊接結構構件則采用折算應力幅計算 構件分為8 個分類, 考慮了以下主要連接形式: 高強度螺栓摩擦型連接、 連孔構件、 翼緣焊縫、 橫向加勁肋、 橫向角焊縫連接和節(jié)點板連接。 對于公路和城市道路橋梁，我國規(guī)范還沒有制定疲勞設計的車輛荷載譜。,三、各國鋼結構規(guī)范比較,中美歐鋼結構疲勞設計的比較：,歐洲鋼結構

7、設計規(guī)范 （Eurocode 3: Design of steel structures ) 歐洲EN 1993鋼結構設計規(guī)范采用破損容限設計法（damage tolerant method）和安全壽命法（safe life method）進行疲勞評定。規(guī)范附錄給出了疲勞評定方法選擇和分項系數(shù) 的數(shù)值。 推薦值見表4.1。,三、各國鋼結構規(guī)范比較,歐洲鋼結構設計規(guī)范 （Eurocode 3: Design of steel structures ) 名義應力幅疲勞強度曲線由下列公式得到見圖4.1： 常幅疲勞極限 截斷極限,三、各國鋼結構規(guī)范比較,圖4.1 按構造分類的變幅荷載（EC3）下 曲線

8、,三、各國鋼結構規(guī)范比較,歐洲鋼結構設計規(guī)范 （Eurocode 3: Design of steel structures ) 該規(guī)范對構造細節(jié)共分14 類。 疲勞驗算的計算公式如下: 該公式采用了極限狀態(tài)設計表達式, 引進了疲勞荷載的分項系數(shù) 和疲勞強度的分項系數(shù) , 根據(jù)驗算點的重要性和計算狀態(tài)采用不同的系數(shù),見表4.1。 通過2106次循環(huán)的損傷等效應力譜來確定。,美國鋼結構橋梁設計規(guī)范（AASHTO LRFD Bridge Design Specifications） 該規(guī)范同樣采用了安全壽命設計方法, 對于每個細節(jié)的計算公式如下:,三、各國鋼結構規(guī)范比較,美國鋼結構橋梁設計規(guī)范（A

9、ASHTO LRFD Bridge Design Specifications） 對于基材在細部用橫向受力的角焊連接的情況，其中不連續(xù)的板受力，母材的公稱疲勞抗力應取 及下列值二者中之較小值：,三、各國鋼結構規(guī)范比較,美國鋼結構橋梁設計規(guī)范（AASHTO LRFD Bridge Design Specifications） 規(guī)范中將構造細節(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 應力范圍與循環(huán)次數(shù),三、各國鋼結構規(guī)范比較,國外公路橋梁荷載譜比較：,三、各國鋼結構規(guī)范比較,英國標準BS5400鋼橋、混凝土橋及結合橋 BS5400將公路車輛

10、標準荷載譜分為三種方式：典型車輛標準荷載譜；標準疲勞車荷載譜；軸重荷載譜。 英國公路橋標準疲勞車示意圖（尺寸單位：mm）,國外公路橋梁荷載譜比較：,三、各國鋼結構規(guī)范比較,歐洲鋼結構設計規(guī)范 （Eurocode 3: Design of steel structures ) 用于疲勞驗算的疲勞荷載模型見圖4.2所示： EN1993- 2 公路鋼結構橋梁規(guī)范的疲勞車模型,國外公路橋梁荷載譜比較：,三、各國鋼結構規(guī)范比較,美國鋼結構橋梁設計規(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,正交異性板細節(jié)分級及要求對比：,三、各國鋼結構規(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拼,正交異性板細節(jié)分級及要求對比