疲劳设计与中外规范介绍.
混凝土结构疲劳设计规范
混凝土结构疲劳设计规范一、前言混凝土结构疲劳设计规范，是指针对混凝土结构在长期使用过程中，由于反复荷载作用而引起的疲劳现象，制定出的一些具体的技术规程。
该规范的制定旨在保障混凝土结构的使用寿命和安全性，减少疲劳导致的损坏和事故发生，同时提高混凝土结构的经济效益和可持续性发展。
二、设计依据1. 混凝土结构设计规范（GB50010-2010）2. 建筑结构荷载规范（GB50009-2012）3. 混凝土结构抗震设计规范（GB50011-2010）4. 钢筋混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）5. 预应力混凝土结构技术规程（JGJ134-2010）三、设计要求1. 确定疲劳荷载系数疲劳荷载系数是指在混凝土结构的设计中，为考虑疲劳荷载的影响而引入的一个系数。
其计算公式为：k_f = f_c * f_s * f_t * f_w，其中，f_c、f_s、f_t、f_w分别为混凝土抗压强度、钢筋抗拉强度、混凝土的疲劳强度、荷载的作用次数等系数。
2. 确定疲劳极限状态疲劳极限状态是指在混凝土结构的使用过程中，由于反复荷载作用而引起的结构疲劳破坏。
设计中必须考虑到疲劳极限状态的影响。
3. 确定疲劳荷载标准值疲劳荷载标准值是指在混凝土结构的设计中，为保证结构的疲劳安全而规定的荷载标准值。
其计算公式为：Q_f = k_f * Q_d，其中，Q_d 为设计荷载。
4. 确定疲劳应力范围疲劳应力范围是指在结构的使用过程中，由于反复荷载作用而引起的应力变化范围。
设计中必须考虑到疲劳应力范围的影响。
5. 确定疲劳寿命疲劳寿命是指在混凝土结构的使用过程中，由于反复荷载作用而引起的结构疲劳破坏所需要的时间。
四、设计方法1. 疲劳荷载计算在混凝土结构的设计中，必须考虑到反复荷载的作用，计算出疲劳荷载标准值。
计算方法如下：（1）计算荷载系数k_fk_f = f_c * f_s * f_t * f_w其中，f_c、f_s、f_t、f_w分别为混凝土抗压强度、钢筋抗拉强度、混凝土的疲劳强度、荷载的作用次数等系数。
疲劳试验标准
疲劳试验标准疲劳试验是评价材料、零部件及构件在交变应力作用下的疲劳性能的重要手段，也是确定材料寿命和安全可靠性的关键方法之一。
疲劳试验的标准化对于保证产品质量、提高产品可靠性具有重要意义。
本文将介绍疲劳试验标准的相关内容，以便于广大工程技术人员更好地了解和应用疲劳试验标准。
1. 疲劳试验标准的概述。
疲劳试验标准是制定和规范疲劳试验的技术文件，包括试验方法、试验条件、试验设备、试验程序、试验数据处理和分析等内容。
疲劳试验标准的制定是为了保证疲劳试验的科学性、准确性和可比性，为产品设计、制造和使用提供可靠的数据支持。
2. 疲劳试验标准的分类。
根据不同的试验对象和试验条件，疲劳试验标准可分为金属材料疲劳试验标准、非金属材料疲劳试验标准、零部件疲劳试验标准等。
其中，金属材料疲劳试验标准包括拉伸-疲劳试验、弯曲-疲劳试验、扭转-疲劳试验等；非金属材料疲劳试验标准包括塑料材料疲劳试验、复合材料疲劳试验等；零部件疲劳试验标准包括轴承疲劳试验、焊接接头疲劳试验、螺栓连接疲劳试验等。
3. 疲劳试验标准的应用。
疲劳试验标准的应用范围涉及到航空航天、汽车、船舶、轨道交通、机械制造、电子电气、建筑工程等多个领域。
通过遵循疲劳试验标准，可以评价材料和构件在实际工作条件下的疲劳性能，为产品的设计、选材和使用提供科学依据，有助于提高产品的可靠性和安全性。
4. 疲劳试验标准的发展趋势。
随着科学技术的不断发展和进步，疲劳试验标准也在不断完善和更新。
未来，疲劳试验标准将更加注重多学科交叉融合，推动疲劳试验技术与先进制造技术、数字化技术、材料基因工程等领域的深度融合，为实现高效、精准、智能的疲劳试验提供更加可靠的技术支持。
5. 结语。
疲劳试验标准是疲劳试验工作的基础和指导，对于提高产品质量、保障产品安全具有重要意义。
各行各业的工程技术人员应当重视疲劳试验标准的学习和应用，不断提升疲劳试验技术水平，为推动工程技术的发展和进步做出更大的贡献。
疲劳规范比较
疲劳规范比较一、美国规范(1)疲劳荷载AASHTO 规范给出的疲劳荷载模型为一辆3轴标准疲劳车，如图1所示，后轴间距为9m 。
图1 AASHTO 标准疲劳车AASHTO 规范也规定了各等级公路对应的交通流量：每车道日平均货车交通量ADTT SL = p*ADTT 。
ADTT 为每一方向日平均货车交通量；P 单车道系数，按表1取值。
研究表明正常交通状况下每车道每一方向各类车辆交通总量限值为20000辆/日，各等级公路中总交通量中货车的比例见表2，由这可估算各等级公路中货车交通流量。
AASHTO 规范中疲劳货车加载每次仅加载一辆疲劳车，以使疲劳细节产生最大应力幅为原则，而忽略行车道中心线的位置，如果行车道的位置在整个寿命期内不变，将车辆加载在车道中心线更为合理，但考虑到将来车辆行驶模式的不确定性和计算简单起见，认为车辆加载位置和车道位置独立。
表1 AASHTO 单车道系数表2 不同等级公路总交通量中货车的比例（2）疲劳验算方法AASHTO 规范中荷载分项系数γ为0.75，采用公式γ·Δf≤(ΔF)n ，Δf 由标准疲劳车产生的应力幅值，(ΔF)n 为名义疲劳抗力。
131()()()2n T A F F N Δ=≥ΔH n 式中：N 为寿命期内应力循环总次数365()75SL N ADTT =×××，但设计年限不是75年时75由设计年限替换；n 为每次卡车通过时，应力循环次数；(为常幅疲劳极限（MPa ），取值如表3所示； )TH F Δ A 为疲劳细节分类常数，按表4取值；AASHTO 认为当疲劳车产生的应力幅值小于常幅疲劳极限一般时，该细节具有无限寿命。
AASHTO规范中疲劳荷载效应的计算还需考虑冲击系数的影响，冲击系数统一取值为0.15。
对与常见的多主梁钢桥，疲劳荷载效应计算时可采用简化方法考虑横向不均匀系数，或采用较为精细的有限元方法计算。
美国规范规定的S-N曲线如图2所示，其是世界上较少没有采用双对数坐标的规范，m取值为3。
疲劳分析介绍
F6前轮球轴断裂 前轮球轴断裂 断轴门” “断轴门” ：广本雅阁、一汽马 、北奔-戴克克莱斯勒 戴克克莱斯勒300C 双横臂式前悬挂： 双横臂式前悬挂 广本雅阁、一汽马6、北奔-戴克克莱斯勒 雅阁、 ，其球头方向是向上的， 雅阁、F6，其球头方向是向上的 属下挂式，承受车重， 凯美瑞、锐志、F6、 凯美瑞、锐志、F6、雅阁，属下挂式，承受车重，过度疲 劳。 马6、奔驰等采用是下压式。 、奔驰等采用是下压式。
1.概述-疲劳的定义 概述概述
• 零件或构件由于交变载荷的反复作用 零件或构件由于交变载荷的反复作用 的反复作用，在它所承受的交变应力尚未达到静 强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并 强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并 扩展、最后突然断裂。这种现象称为疲劳破坏 扩展、最后突然断裂。这种现象称为疲劳破坏 这种现象称为疲劳破坏 • The process of progressive localized permanent structural change occurring in a material subjected to conditions which produce fluctuating stresses and strains at some point or points and which may culminate in crack or complete fracture after a sufficient number of fluctuations. —— ASTM E206-72 • 在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹 在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成 且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹 且在足够多的循环扰动作用之后形成 或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的 或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程，称为疲劳 永久结构变化的发展过程，称为疲劳
混凝土构件疲劳设计规范
混凝土构件疲劳设计规范一、前言混凝土构件作为建筑工程中最主要的结构材料之一，其应用范围广泛，但是在长期使用过程中，会受到各种不同的力作用，从而导致构件产生疲劳现象，严重影响结构的使用寿命和安全性。
因此，疲劳设计规范就显得尤为重要。
本文将从混凝土构件疲劳设计的定义、疲劳损伤机理、疲劳设计方法、疲劳试验等方面进行阐述，以期为混凝土构件疲劳设计提供一定的参考。
二、混凝土构件疲劳设计的定义混凝土构件疲劳设计是指在一定的载荷作用下，通过疲劳试验和分析计算，确定结构在规定寿命内不会发生疲劳破坏的设计方法和标准。
三、疲劳损伤机理在混凝土结构长期使用过程中，会受到多种不同的荷载作用，如常规荷载、温度荷载、湿度荷载、震动荷载等，这些荷载作用会引起混凝土内部微观结构的变化，从而导致混凝土构件产生疲劳损伤。
混凝土的疲劳损伤主要表现为以下几种形式：1.微观裂纹：在混凝土内部形成微小的裂纹，这些裂纹在长期荷载作用下逐渐扩展，最终导致混凝土疲劳破坏。
2.剪切破坏：在混凝土内部形成多个剪切面，这些剪切面在长期荷载作用下逐渐扩展，最终导致混凝土疲劳破坏。
3.抗拉破坏：在混凝土内部形成多个拉伸面，这些拉伸面在长期荷载作用下逐渐扩展，最终导致混凝土疲劳破坏。
四、疲劳设计方法在混凝土构件疲劳设计中，主要采用以下几种疲劳设计方法：1.极限状态设计方法：根据混凝土构件的强度和荷载作用的特点，采用极限状态设计方法，确定混凝土构件在规定寿命内不会发生疲劳破坏的设计标准。
2.振动试验法：通过振动试验，模拟混凝土构件在长期荷载作用下的疲劳损伤情况，从而确定混凝土构件在规定寿命内不会发生疲劳破坏的设计标准。
3.试验数据法：根据混凝土构件的实际使用情况，通过试验数据分析，确定混凝土构件在规定寿命内不会发生疲劳破坏的设计标准。
五、疲劳试验在混凝土构件疲劳设计中，疲劳试验是十分重要的一环。
疲劳试验主要包括以下几个方面：1.试验样品制备：按照设计要求，制备混凝土试样。
公路钢结构桥梁设计规范疲劳解读
Δ
= (1 + Δ)( − )
➢荷载模型II、III
Δ2
= (1 + Δ)( − )
Δ2
= (1 + Δ)( − )
参数说明
➢ 为疲劳荷载分项系数，
取为1.0
➢M 为疲劳抗力分项系数,对
重要构件取1.35，对次要构
第j车道上形成应力幅的内力影响线值
➢对荷载模型III
4 =1.0
的计算
➢计算公式
γ1
γ1
2.7
2.7
跨中
2.5
2.4
2.4
2. 5
2.3
10
l
30
2.2
1.
8
2.2
30
)
2.5
2.3
梁端
2.6
0.
01
8(
l
2.6
2.1
2.1
2.0
2.0
2.0
1.9
1.9
lgN
1.0E+09
剪应力疲劳曲线
lgΔτR（MPa）
1000
疲劳细节类别ΔτC
1
100
m=5
100
80
截止限ΔτL
10
1.0E+04
lgN
1.0E+05
1.0E+06
1.0E+07
1.0E+08
1.0E+09
计算公式
➢正应力
Δ = 2 × 106 Δ
Δ = 5 × 106 Δ
疲劳荷载模型II
➢荷载
荷载布置
40kN
60kN
公路钢桥抗疲劳设计概述
公路钢桥抗疲劳设计概述摘要：基于疲劳与断裂是钢构件失效的最可能原因，应对疲劳设计给于相当的重视。
本文对我国公路桥梁疲劳设计问题进行了简述，并对国外规范进行了总结。
提出了我国疲劳验算的缺陷和制定与完善公路钢桥疲劳规范的迫切性。
关键词：公路钢桥；疲劳设计；荷载模型abstractbased on fatigue and fracture is the most likely reason in failure of steel members. this paper, resumed the design of highway bridge fatigue problems in our country, and summarized foreign standard. puts forward the defects of fatigue calculation in our country and the urgency to formulate and perfect highway steel bridge fatigue specification.key words: highway steel bridge; fatigue design; load model 中图分类号：u448.14文献标识码： a 文章编号：1疲劳研究的必要性公路钢桥的疲劳是指在车辆荷载的反复作用下构件在低于钢材屈服强度的情况下发生的脆性破坏。
[1]钢结构构件最常遇到三种破坏形式：拉构件强度破坏、压构件失稳破坏、反复拉压构件疲劳断裂。
其中疲劳与断裂是钢构件失效的最可能原因。
据美国1982统计结果，80%-90%钢桥的破坏与疲劳断裂有关，1967年美国西弗吉利亚州的point pleasant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。
警醒下，各国对疲劳给于了相当的重视，随着工程实践和研究的加深，规范也在不断的修订和更新。
混凝土结构疲劳性能设计规范
混凝土结构疲劳性能设计规范一、前言疲劳是混凝土结构设计中的一个重要问题，对于混凝土结构的安全性、可靠性及使用寿命等方面都具有重要影响。
因此，混凝土结构疲劳性能设计规范是混凝土结构设计中的重要内容之一。
本规范旨在规范混凝土结构疲劳性能设计的要求，以确保混凝土结构在疲劳荷载作用下的安全性和可靠性。
二、疲劳荷载的分类疲劳荷载可分为以下两种类型：1. 高频荷载：是指荷载频率大于结构的固有频率的荷载，如车辆行驶时对桥梁的荷载。
2. 低频荷载：是指荷载频率小于结构的固有频率的荷载，如风荷载、水荷载等。
三、疲劳性能设计基础1. 疲劳极限状态设计基础：疲劳极限状态是指在一定的疲劳荷载作用下，结构出现破坏的状态。
疲劳极限状态的设计基础是疲劳极限状态下的应力水平和疲劳强度。
2. 疲劳裂缝状态设计基础：疲劳裂缝状态是指结构在一定的疲劳荷载作用下，出现裂缝扩展的状态。
疲劳裂缝状态的设计基础是疲劳裂缝的扩展速率和裂缝扩展的极限长度。
四、疲劳荷载作用下的混凝土结构设计要求1. 设计荷载应考虑疲劳荷载的影响，采用合适的疲劳荷载模型计算疲劳荷载作用下的应力。
2. 结构应满足疲劳强度要求，即在疲劳荷载作用下，结构应力不得超过疲劳强度。
3. 结构应满足疲劳裂缝的控制要求，即在疲劳荷载作用下，结构的裂缝扩展速率不得超过规定的极限值，并且裂缝扩展的极限长度不得超过规定的限值。
4. 对于疲劳荷载作用下的混凝土结构，应采用疲劳极限状态设计方法进行设计。
5. 疲劳荷载作用下的混凝土结构应采用适当的材料，材料的强度应符合规定要求，并应遵循混凝土结构设计规范中的相关要求。
五、疲劳性能设计的计算方法1. 疲劳荷载作用下的混凝土结构的疲劳强度计算方法：疲劳强度= Kf × σf其中，Kf为疲劳强度系数，σf为疲劳极限应力。
2. 疲劳荷载作用下的混凝土结构的裂缝扩展速率计算方法：裂缝扩展速率= C × ΔKα其中，C为裂缝扩展速率系数，ΔK为应力强度因子范围，α为裂缝尖端的形状系数。
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疲 二、疲劳设计 劳
图3.2 容许应力幅 表3.2疲劳寿命 2 10 次的容许应力幅
6
疲 三、各国钢结构规范比较 劳
中美欧钢结构疲劳设计的比较：
中国国家标准- 钢结构设计规范(GB50017- 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5 10 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。
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
疲 一、疲劳概述 劳
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。
对待非焊接构件，GB50017规范一律取有效应力幅：
max 0.7 min
疲 二、疲劳设计 劳
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。
1966 年建成的英国塞文桥在开通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
疲 一、疲劳概念 劳
疲劳断裂破坏的严重性:
虎门大桥钢桥面板疲劳裂纹实况
疲 一、疲劳概念 劳
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：
图3.1 应力幅与循环寿命的关系
疲 二、疲劳设计 劳
2.2应力比准则与应力幅准则
应力幅准则 如 lg n 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
C n
1/
式中，C、 均为不同构件和连接类别的试验参数，表3.1。
4
疲 三、各国钢结构规范比较 劳
欧洲钢结构设计规范 （Eurocode 3: Design of steel
structures )
欧洲EN 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 Mf Mf 表4.1。
安全寿命设计计算流程
疲 二、疲劳设计 劳
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-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。
疲 二、疲劳设计 劳
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 max 和以应力比 为代表的应力循环特征密切相关。对 max 引进安全系 数，即可得到设计用的疲劳应力容许值 max TJ17-74规范所规定的疲劳容许应力计算公式：
疲 三、各国钢结构规范比较 劳
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：
m m 6 R N R c 2 10 m m 6 R N R D 5 10
N 5 106时，
m3
5 1062 D c 0.737 5
1/3
截断极限
5 L D 0.549 D 100
疲 一、疲劳概念 劳
疲劳断裂破坏的严重性:
美国Point Pleasant（Silver）Bridge
疲 一、疲劳概念 劳
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。
(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。
疲 二、疲劳设计 劳
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
p 0 p 1 k
max
疲 二、疲劳设计 劳
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 与疲劳寿命n 构造类型和应力幅 max min ，而非应力比。应力幅 之间呈指数为负数的幂函数关系
疲 一、疲劳概念 劳
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
疲 一、疲劳概念 劳
四个术语
疲劳强度 疲劳极限 疲劳寿命 S-N曲线：
疲 一、疲劳概念 劳
钢结构疲劳特征的影响因素： 结构的材料特性
主要有: 钢材的性能、 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。
疲 一、疲劳概念 劳
疲劳断裂破坏的严重性: