不同钢结构疲劳强度分析
钢结构疲劳计算
目录
• 引言 • 钢结构疲劳计算基础 • 疲劳载荷谱的编制 • 疲劳寿命估算 • 疲劳损伤累积与断裂分析 • 钢结构疲劳计算的工程应用 • 结论与展望
01 引言
疲劳计算的重要性
保证结构安全
疲劳计算是确保钢结构在长期使用过程中保持安全的重要手段，通过计算可以 预测结构在各种载荷下的疲劳损伤，从而采取相应的措施来预防破坏。
07 结论与展望
结论
疲劳计算是钢结构设计中的重要环节，通过合理的计算和 分析，可以预测结构在循环载荷作用下的性能和寿命，为 结构的安全性和经济性提供保障。
疲劳计算的准确性和可靠性取决于多种因素，如载荷类型、 材料特性、结构细节和计算方法等。因此，选择合适的计 算方法和参数是至关重要的。
疲劳计算的结果可以为结构的设计、制造、安装和维护提 供指导，帮助工程师更好地理解和控制结构的疲劳性能。
线性疲劳累计损伤理论
基于S-N曲线，通过线性累计损伤的概念来估算疲劳寿命。
非线性疲劳累计损伤理论
基于S-N曲线，考虑非线性累计损伤效应，更准确地估算疲劳寿命。
05 疲劳损伤累积与断裂分析
疲劳损伤累积模型
线性累积损伤模型
假设疲劳损伤是线性的，即每次循环产生的损伤可以累加，适用于 高周疲劳。
非线性累积损伤模型
损伤力学
将结构视为损伤演化过程，通过分析损伤演化规律来预测结构的断裂 行为。
断裂韧性测试与评估
试样制备
根据标准要求制备试样，确保试样的尺寸、形状和表面处理等符 合要求。
加载制度
根据标准规定的加载制度进行试验，确保试验结果的准确性和可重 复性。
结果评估
根据试验结果计算断裂韧性值，并与标准值进行比较，评估材料的 断裂韧性性能。
钢结构(含螺栓)力学指标
钢结构(含螺栓)力学指标
钢结构力学指标是指描述钢结构在受力作用下所表现出的力学性能的参数。
这些指标包括但不限于以下几个方面：
1. 强度指标，强度是材料抵抗外部力量破坏的能力。
对于钢结构而言，常见的强度指标包括屈服强度、抗拉强度、抗压强度、剪切强度等。
这些指标反映了钢材在受力下的承载能力，是设计和施工中必须考虑的重要参数。
2. 刚度指标，刚度是材料抵抗变形的能力，它描述了材料在受力下的变形特性。
对于钢结构而言，刚度指标包括弹性模量、剪切模量等。
这些指标反映了钢结构在受力下的变形情况，对于结构的稳定性和变形控制具有重要意义。
3. 疲劳指标，疲劳是材料在交变应力作用下发生破坏的现象，对于钢结构而言，疲劳指标是评价结构在长期使用中抵抗疲劳破坏能力的重要参数。
常见的疲劳指标包括疲劳极限、疲劳寿命等。
4. 螺栓连接指标，钢结构中的螺栓连接是常见的连接方式，其力学指标包括螺栓的抗剪强度、抗拉强度等。
这些指标影响着螺栓
连接的可靠性和安全性。
总之，钢结构力学指标涵盖了强度、刚度、疲劳和螺栓连接等多个方面，这些指标对于评价钢结构的安全性、稳定性和可靠性具有重要意义。
在设计、制造和使用钢结构时，需要充分考虑这些力学指标，以确保结构的安全和可靠运行。
钢结构设计中的强度与稳定性分析
钢结构设计中的强度与稳定性分析钢结构作为一种重要的建筑构造形式，在现代建筑中得到了广泛的应用。
其独特的特点使其成为了建筑设计师们的首选，然而，正确理解和分析钢结构的强度与稳定性是确保其安全性和可靠性的关键。
本文将深入探讨钢结构设计中的强度与稳定性分析，以期对读者有所启发。
一、强度分析钢结构的强度分析是确保建筑结构能够承受正常和异常荷载的重要步骤。
在设计过程中，工程师需要考虑到以下几个关键因素。
1.1 材料强度钢材作为钢结构的主要构造材料，其强度参数决定了整个结构的抗力能力。
工程师需要详细了解所选用的钢材的性能指标，包括屈服强度、抗拉强度、弹性模量等，以确保设计结构的强度能够满足要求。
1.2 荷载计算在设计过程中，荷载计算是非常重要的一环。
工程师需要根据建筑的用途和具体情况，准确计算出可变荷载、恒载和地震荷载等，以保证设计的结构能够承受这些荷载。
当荷载不均匀分配时，还需要进行统一系数的计算。
1.3 结构稳定钢结构的稳定性是强度分析中不可忽视的一部分。
当结构受到垂直或水平方向的外力作用时，其稳定性要求结构能够保持稳定。
工程师需要根据实际情况，采用适当的稳定性分析方法，确保设计的结构能够满足要求。
二、稳定性分析稳定性分析是钢结构设计中非常重要的一环，它主要考虑结构在受荷时的稳定性能。
以下是一些常见的稳定性分析方法。
2.1 弯曲稳定性分析在弯曲稳定性分析中，工程师需要计算并分析结构受弯矩作用下的稳定性。
通过计算结构的屈曲系数和容许屈曲荷载，可以确定结构的弯曲稳定性是否得到满足。
2.2 屈曲稳定性分析屈曲稳定性分析主要考虑结构在压力作用下的稳定性。
工程师需要计算结构的临界荷载和理论强度，以保证结构在受压力作用时不发生屈曲。
2.3 应力稳定性分析应力稳定性分析是为了保证结构在受荷时不发生破坏。
工程师需要计算结构的应力集中系数和容许应力，以确保结构在实际使用条件下能够稳定且不发生破坏。
三、结构设计的实践在实际结构设计中，强度与稳定性分析是紧密相连的。
疲劳强度理论分析
1. 名义应立法：计算全寿命，主要用于高周疲劳； 2. 局部应力—应变法：计算裂纹形成寿命； 3. 断裂力学法：计算裂纹扩展寿命。
（四）：疲劳试验 材料试验，实物结构试验，高周疲劳试验，低周疲劳试验，裂纹扩展寿命试验
（五）：常规疲劳强度设计：
），可
4.P-S-N 曲线 不同可靠度下的应力——寿命曲线
（1） S-N曲线中S,N的概率密度函数
大量实验表明：疲劳强度符合正态分布
（同寿命下的应力分布）。疲劳寿命符合对数
正态或威布尔分布（同应力水平下的寿命）
正态分布
——均值，也叫数学期望。
——标准差，数学上叫均方根值。
对数正态分布，将随机变量的对数函数进行分析。威布尔分布（寿命）
随机载荷下疲劳寿命研究实测载荷谱当量成对称循环下的载荷谱ii根据材料的sn曲线实物试验值和实测载荷谱代入计算模型638可计算不同可靠度下的疲劳寿命图612表621表622这里进行了两种构件侧架和摇枕的疲劳寿命计算iii与实际统计数据比较讲实际统计数据进行整理表627采用常规定时截尾试验发最后论证摇枕的实际平均寿命为328年计算值为3537年两值接近说明计算公式可以
疲劳试验在疲劳试验机上进行，有弯曲疲劳试验机和拉—压疲劳 试验机等。
2 疲劳分析的有关参数
应力幅
平均应力 最大应力 最小应力 应力范围
应力比
对称循环， 脉动循环 静应力
3 材料的S—N曲线 根据不同应力水平分组进行疲劳试验，
根据实验数据进行拟合，一般采用最小二乘 法。 曲线为指数曲线，即： 对上式两边去对数 ：
也就是许用应力法： 存在问题：
a. 设计的机械零件特别笨重（为了安全，只有加大整个截面尺寸）； b. 尽管笨重，但仍有疲劳裂纹产生。 原因： a. 疲劳裂纹发生在构件的危险点的局部区域，通过裂纹不断扩展，
钢结构疲劳分析
钢结构疲劳问题
其他原因： 行动活荷载； 焊接缺陷：孔洞、夹渣等； 成型控制缺陷（冲孔、剪边、气割）； 几何截面的突然变形； 地震的对结构的反复摇摆，温度变化。
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钢结构疲劳问题
疲劳计算原则
安全寿命法：先估计一个荷载谱，然后通过分析和实验找出 关键构件在这一荷载普下的语气寿命，在引入安全系数以得 到安全寿命，安全寿命决定使用期限，就够后构件到安全寿 命就要报废或者更换，使用于飞机设计。
应力比：R=min/ max
应力幅：循环一周最大、最小应力差
= max- min
t
t
常幅疲劳
变幅疲劳
“常幅疲劳”是指在使用期内交变荷载下每次循环的应力变化幅 值相同；否则称“变幅疲劳”。承受吊车荷载的吊车梁属变幅疲 劳，因为起吊重量有时满载，有时欠载。
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钢结构疲劳问题
a）静应力R=1 b）脉动循环应力R=0 c)对称循环应力R=-1
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钢结构疲劳问题
延长疲劳寿命的方法： 减小初始裂纹尺寸a1。因为在裂纹尺寸很小时，扩展速率da/dN很低； 降低构件所承受的应力和采用韧性较好的材料。减低应力幅要求增大构件截 面，从而提高造价。采用高韧性材料和加强施工质量控制也都要提高造价。 于是要权衡轻重做出最佳的方案
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钢结构疲劳问题
高周疲劳：在疲劳破坏之前具有应力大，应变小的特点 低周疲劳：在疲劳破损之前具有应力小，应变大的特点 采用较小的循环应力，可降低疲劳强度，增大构件的寿命
I:对接焊缝 II:角接焊缝
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钢结构疲劳问题
应力幅准则
自从焊接结构用于承受疲劳荷载以来，工程界从实践逐渐认识
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钢结构疲劳问题
A的纵坐标是在N=N1时，交变循环荷载作用下的 max
钢箱梁入门系列漫谈（七）钢结构核心问题强度、稳定、疲劳
钢箱梁入门系列漫谈（七）钢结构核心问题强度、稳定、疲劳美桥欣赏意大利 Constitution Bridge钢结构最常见的三种破坏形式对应着三大核心问题：强度、稳定和疲劳。
1）受拉构件的强度破坏（屈服）80+139+80 上承式钢桁组合梁（破坏前）80+139+80 上承式钢桁组合梁（破坏后）2）受压构件的失稳（屈曲）3）受拉（拉压）构件的疲劳开裂Silver Bridge强度构件在稳定平衡状态下由荷载引起的最大应力是否超过材料的极限强度。
钢材受拉破坏内因是钢材大范围的屈服，外因是荷载使构件内力过大，以屈服点作为制定截面最大应力限制依据。
稳定只要构件受压，终究不能离开稳定问题的困扰，这也是拱桥跨径小于斜拉桥、斜拉桥跨径小于悬索桥的主体原因。
稳定实质上是外荷载与结构内部抵抗力间的不平衡状态，在微小干扰下结构变形急剧增长的状态，是一个变形问题。
内因是材料特性、构件长细比、支撑条件、初始偏心、残余应力。
外因是荷载使受力构件所受到的压力，以构件的压溃强度为依据，借此制定应力限值，并以荷载使该构件所产生的压应力不大于该限值。
稳定问题包括整体稳定与局部稳定。
1）局部稳定受压构件通过宽厚比控制局部稳定，宽厚比过大，设置加劲肋解决。
加劲肋设置后根据加劲肋的刚柔性计算局部稳定折减面积，得到局部稳定折减后的验算面积。
如下图（《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）图5.1.7）。
2）整体稳定受压构件整体稳定转化为类似强度验算，以轴心受压杆件为例，将验算面积（局部稳定折减后的有效面积）乘以一个小于1的系数（此系数根据杆件截面类型及相对长细比根据下图得到），控制总体稳定应力小于容许应力。
稳定折减系数如下图（《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）附录A）。
疲劳只要受拉，构件就有疲劳问题，裂纹随着拉应力的变化扩展，所以受压构件不需检算疲劳。
受拉或者是拉压交替就会有裂纹扩展的危险，就需检算疲劳稳定。
欧标钢结构设计手册 疲劳
欧标钢结构设计手册疲劳疲劳是影响钢结构安全性和耐久性的一个重要因素。
在长期使用中，钢结构会受到反复的荷载作用，导致材料的内部产生微小裂纹，并逐渐扩展至破坏。
因此，研究和控制疲劳对于钢结构设计非常重要。
欧标钢结构设计手册提供了详细的疲劳分析和设计准则，旨在确保钢结构的疲劳强度和可靠性。
1. 疲劳分析基础在进行钢结构的疲劳设计之前，需要对其受力情况进行全面的分析。
疲劳分析基础包括荷载谱分析、疲劳损伤积累和疲劳寿命评估。
荷载谱分析是通过对实际荷载的测量和分析，得到荷载时间历程，并进行频域分析，确定其主要频率成分和振幅。
疲劳损伤积累是指在一定的时间内，由于荷载的反复作用，材料内部的裂纹不断扩展，直至破坏。
疲劳寿命评估是通过计算疲劳寿命的方法，确定材料在特定荷载作用下的耐久性能。
2. 疲劳试验和材料参数欧标钢结构设计手册规定了疲劳试验的要求和方法，以获取钢材的疲劳性能参数。
试验包括疲劳强度试验、疲劳寿命试验和裂纹扩展试验等。
疲劳强度试验是通过施加不同的荷载谱，确定材料疲劳极限和疲劳裂纹扩展速率。
疲劳寿命试验是通过施加特定的荷载谱，确定材料在一定应力幅下的疲劳寿命。
裂纹扩展试验是为了确定裂纹扩展速率，可根据砂轮磨擦试验、盖板试验等方法来进行。
通过这些试验，在结构设计中可以更准确地评估材料的疲劳性能。
3. 疲劳设计准则欧标钢结构设计手册制定了一系列疲劳设计准则，用于指导钢结构在疲劳荷载下的设计。
准则包括材料的疲劳极限和疲劳寿命、应力集中系数、修正系数等。
疲劳极限和疲劳寿命是根据试验数据和统计方法得到的参数，用于确定特定荷载作用下的疲劳设计应力范围。
应力集中系数是考虑结构中应力集中点的存在，通过修正系数来估计疲劳强度。
修正系数包括尺寸系数、表面处理系数、载荷工况系数等，用于提高疲劳设计的准确性和可靠性。
4. 疲劳分析软件和计算方法为了更高效地进行疲劳分析和设计，欧标钢结构设计手册提供了多种疲劳分析软件和计算方法。
钢结构第2讲
2. 焊接结构的疲劳
通过大量试验研究表明，控制焊接结构疲劳寿命最主要的因素是构件 和连接的类型、应力幅Ds以及循环次数n，而与应力比无关。 焊缝部位存在残余拉应力，通常达到钢材的屈服点fy ，该处是产生和 发展疲劳裂纹最敏感的区域。
用轧钢机将钢锭轧成钢胚，再通过一系列不同形状和 孔径的轧机，轧成所需形状和尺寸的钢材。 钢材的热轧成型，压密钢的晶粒，改善钢的材质。 薄的钢材，辊轧次数多，压缩比大，因而屈服点及伸长 率均大于厚板。
钢材的力学性能按板厚或直径分组。
结构用钢的种类、选用及规格
钢的种类
脱氧程度 沸腾钢 镇静钢 半镇静钢 特殊镇静钢
n=2×106的容许应力幅值
1.0 0.8 0.5
连接形式类别
[]n=2×106
1
2
3
4
5
90
6
78
7
69
8
59
N/mm2 176 144 118 103
疲劳破坏中一些值得注意的问题
（1）疲劳验算采用的是容许应力设计法，而不是以概率论为基础的设计
方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂，目前还没 有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研究。 （2）对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，则不 会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。 （3）国内外试验证明，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影 响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。 （4）提高疲劳强度和疲劳寿命的措施 （ａ）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中；
y
应力比：
min max
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不同钢结构疲劳强度分析
发表时间：2017-08-31T10:20:36.993Z 来源：《电力设备》2017年第12期作者：孙晓丽赵娜马连凤李晓莉刘谆
[导读] 摘要：随着生产和加工工艺的不断提高，高强度钢材钢结构已经开始在各种电器柜中得到应用，并取得了良好的效益。
由于在材料力学性能
（中车永济电机有限公司）
摘要：随着生产和加工工艺的不断提高，高强度钢材钢结构已经开始在各种电器柜中得到应用，并取得了良好的效益。
由于在材料力学性能、加工工艺、初始缺陷影响等方面的差别，高强度结构钢材构件的整体稳定性能与普通强度钢材有明显不同。
关键词：疲劳强度；屈服极限；疲劳寿命
1 、概述
钢材的生产工艺与构件的加工工艺是推动钢结构发展的重要因素，钢材力学性能的提高，能够提升钢结构构件的受力性能、安全性能以及钢结构整体的使用功能；同时，实际应用的不断创新也会促进钢结构的发展，这就对钢材的力学性能提出了新的要求，特别是要求结构材料应具有更高的强度。
在这一背景之下，采用新的生产冶金工艺开发出了新型高强度结构钢材，先进的加工工艺特别是焊接技术以及与高强度钢材相匹配的焊接材料也陆续出现，高强度结构钢材具备了应用于实际电器柜的基本条件。
本文的研究对象主要针对强度等级在420MPa 及以上的新型高强度结构钢材中厚板材（即板厚<40mm）构件。
2、疲劳的定义及特征
疲劳破坏是指材料或结构在循环交变应力或者循环交变应变的作用下,由于某点或某些点所在的部位发生局部永久性结构变化,在经历一定的循环次数后形成裂纹并最后发生断裂的现象,即在交变载荷重复作用下材料或者结构的结构破坏现象。
经过人们长期的经验积累和对疲劳破坏事故的认真考察,疲劳破坏的显著特征己初步为人们所掌握,这些特征使疲劳破坏与传统的静力破坏、腐蚀破坏以及其他破坏形式相区别,给人们对事故的分析带来方便。
具体的特征包括:长期性、非屈服性、难以预测性、局部性、影响因素多样性、端口形貌特殊性。
疲劳破坏的过程大致就可以描述为以下的“恶性循环阶段”:
应力集中一一争疲劳裂纹出现一一争裂纹尖端新的应力集中一一卜裂纹扩展一一卜构件发生
断裂。
3、影响结构疲劳强度的因素
构件在某一循环载荷下工作时,构件应力值的大小为一般用S来表示。
当构件的应力水平S低于某一个应力限度值的时候,如果构件可以在该应力水平作用下承受无限次循环而不发生疲劳破坏,则该应力限度值为材料或者构件的“疲劳极限”。
疲劳失效之前机械零部件所经历的应力或者应变循环次数称为“疲劳寿命”,一般用N表示,前面所提到的“韦勒曲线”或者“疲劳曲线”是表示应力幅Sa或者最大应力Sma、与疲劳寿命N之间关系的一种表达方式。
一般我们从标准或者书上所查到的一些材料的疲劳极限和S一N曲线,只能代表标准光滑试样的疲劳性能,称之为“中值S一曲线”。
但实际零部件的尺寸、形状和表面情况等是多样的,与标准试件存在一定程度上的差别,所以实际构件的疲劳强度、疲劳寿命与标准试样之间也存在一定的差距。
影响结构疲劳强度的因素主要有:形状,尺寸,表面状况,平均应力,腐蚀介质和温度等等,本节主要介绍与本论文相关的因素即形状、尺寸、表面加工方法对材料疲劳强度的影响。
4、理论计算
在钢结构梁的设计中要让力有很好的传导闭合性，就要充分的发挥每个梁的支撑作用。
对4mm和6mm钢板的截面模量计算如下：
对安装梁截面模量计算如下：
4mm钢板 6mm钢板 4mm内部加6mm钢板
通过计算4mm钢板对于x-x抗弯截面模量Wx=4.0612cm3
6mm钢板对于x-x的抗弯截面模量Wx=5.8505cm3
4mm内部增加两块6mm钢板后对于x-x的抗弯截面模量Wx=4.0612+1.681*2=7.4232cm3
根据最大弯曲正应力的计算公式：σmax=M/WX
可见，最大弯曲正应力与弯矩成M正比，与抗弯截面模量Wx成反比，当M不变时，Wx越大，所受的最大弯曲正应力越小，根据以上3种情况可以看出，第3种的抗弯截面模量Wx为7.4232cm3，较第1种增加了将近1倍。
5、实验分析
运用计算机分析软件ANSYS分别对4mm钢板折弯，6mm钢板折弯，4mm钢板折弯内侧加焊6mm钢板， 5mmQ235A槽钢进行了最大
应力实验验证，实验前后对比照片如下：
最大应力分别为85.89kN，126.05kN，173.77kN和116.05kN，曲线从上自下依次为4mm钢板折弯内侧加焊6mm钢板，6mm钢板折弯，5mmQ235A槽钢，4mm钢板折弯。
由此可见，通过理化分析和经验公式理论计算结果表明，4mm钢板折弯强度较弱，6mm钢板折弯强度优于5mmQ235A槽钢，4mm钢板折弯内侧加焊6mm钢板强度最好。
在结构设计中应根据不同的强度要求选择不同牌号的钢板的板材及钢板厚度。