06 钢结构疲劳
钢结构桥梁的疲劳与寿命评估
钢结构桥梁的疲劳与寿命评估钢结构桥梁作为现代城市交通的重要组成部分，承载着大量的车辆和行人通行任务。
然而，长期以来，由于外界环境和车辆荷载的作用，钢结构桥梁容易受到疲劳损伤，严重影响其使用寿命和安全性。
因此，进行钢结构桥梁的疲劳与寿命评估是至关重要的。
一、疲劳损伤机理疲劳是指物体在经历了一定次数的应力循环加载后发生损伤的现象。
钢结构桥梁受到交通荷载作用时，会产生周期性的应力变化，而长期循环加载会导致钢构件内部的裂纹逐渐扩展，最终引发疲劳破坏。
常见的疲劳损伤机理包括低周疲劳、高周疲劳和蠕变疲劳等。
低周疲劳是指加载周期较长，应力变化较大的疲劳损伤，主要发生在大型移动荷载作用下；高周疲劳是指加载周期较短，应力变化较小的疲劳损伤，主要发生在交通荷载作用下；蠕变疲劳则是由于长期受到恶劣环境条件作用下，钢结构桥梁会出现温度变形和应力松弛，从而引发蠕变破坏。
二、疲劳与寿命评估方法为了确保钢结构桥梁的安全使用和延长其寿命，需要进行疲劳与寿命评估。
在评估过程中，可以采用以下方法：1. 材料试验与力学性能研究：通过对钢材料的拉伸试验、冲击试验等试验手段，获取钢材料的力学性能参数，进而分析其疲劳性能。
2. 荷载测量与应力分析：通过悬挂应变片、应变计等装置对桥梁进行实时荷载测量与应力分析，以获取荷载数据与桥梁的应变应力分布情况。
3. 疲劳寿命计算：根据钢材料的疲劳试验数据和荷载数据，采用伤害累积理论来计算钢结构桥梁的疲劳寿命。
4. 结构健康监测：借助现代技术手段，如无损检测、振动测试等，对钢结构桥梁的健康状况进行实时监测，及时发现疲劳裂纹、变形等问题。
5. 寿命预测与可靠性评估：通过建立可靠性模型，综合考虑材料的疲劳特性、载荷环境、结构健康状况等因素，对钢结构桥梁的寿命进行预测与评估。
三、寿命延长与维护策略对于已经投入使用的钢结构桥梁，为了延长其寿命和保障其安全，需要采取适当的维护策略。
具体策略包括：1. 定期巡查与检测：定期对钢结构桥梁进行巡查与检测，发现潜在的裂纹、变形等问题，并采取相应的预防性维修措施。
钢结构塔架的风振疲劳分析
钢结构塔架的风振疲劳分析随着我国工业的快速发展，大型工业设施如钢结构塔架的需求不断增加。
然而，这些结构在服役期间会受到各种荷载的作用，其中风荷载是一种重要的不可忽视的因素。
风振疲劳问题是钢结构塔架设计中的关键问题之一，关系到结构的安全性和耐久性。
本文将针对钢结构塔架的风振疲劳问题进行深入分析。
关键词：钢结构塔架、风振疲劳、风荷载、疲劳寿命、抗疲劳设计概述风振疲劳是由于结构在风荷载作用下产生振动，导致结构内部产生交变应力而引起的疲劳破坏。
对于钢结构塔架而言，风振疲劳对其服役性能有重要影响。
风振疲劳的危害主要表现在降低结构的承载能力、增加结构变形以及引发结构断裂等。
因此，对钢结构塔架进行风振疲劳分析具有重要意义。
钢结构塔架的风振疲劳分析钢结构塔架在服役期间会受到风荷载的作用，其风振疲劳的产生主要有以下原因：（1）结构设计不合理，如结构形式、连接方式等；（2）材料选择不当，如材料的韧性、强度等；（3）制造和安装过程中产生的缺陷，如焊接变形、螺栓松动等。
针对这些原因，在进行钢结构塔架设计时，应采取相应的措施来降低风振疲劳的风险。
例如，优化结构设计、选用高强度材料、严格控制制造和安装质量等。
还可以采用防腐涂层等措施来提高结构的耐久性。
疲劳损伤因子的计算在风振疲劳分析中，疲劳损伤因子是一个重要的参数，用于描述结构在疲劳过程中损伤的程度。
常用的疲劳损伤因子计算方法有：（1）Miner-Palmgren方法：该方法基于Miner-Palmgren 累积损伤理论，考虑了应力幅值和平均应力的影响。
（2）Gerber方法：该方法基于Gerber损伤模型，考虑了裂纹扩展和闭合的过程，适用于估算结构的低周疲劳寿命。
在计算疲劳损伤因子时，应根据具体情况选择合适的计算方法。
同时，还应注意考虑其他影响因素，如环境因素、荷载作用次数等。
抗疲劳设计的建议根据前文对钢结构塔架风振疲劳的分析，提出以下抗疲劳设计的建议：（1）优化结构设计：合理选择结构形式和连接方式，以提高结构的抗风能力。
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
钢结构疲劳计算
b 值。疲劳强度条件为
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（6－7）
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3
例
6－9
一焊接箱形钢梁，在跨中截面受
到Fmin=10 kN和Fmax =100 kN 的常幅交变荷载作用，跨中截面
对其水平形心轴z的惯性矩 Iz=68.5×10-6 m4。该梁由手工焊接
而成，属4类构件，若欲使构件在服役期限内，能承受2×106次 交变荷载作用。试校核其疲劳强度。
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（2）
设想有常幅Dse作用Sni次，使构件产生疲劳破坏，有
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（3）
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式中，Dse为等效应力幅。
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把（2）式代入（1）式，
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得
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（4）
将（4）式代入（3）式，得
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（6－9）
式中，分子中的ni 为应力水平为Dsi 时的实际循环次数，分母 中的Sni为预期使用寿命。疲劳强度条件为
（6－5a） （6－5b）
或写成
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lg N1 lg N2
lg N
式中，b, a 为有关的参数。
2
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引入安全因数后，得许用应力幅为
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（6－6）
式中，C, b 是与材料、构件和连接的种类及受力情况有关
的参数。钢结构设计规范中，将不同的受力情况的构件与连接 分为8类（书表6－2）。表6－1中给出了Q235钢8个类别的C，
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（6－8）
9
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第六章完
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解：1. 计算跨中截面危险点a点）的应力幅
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）受压构件失稳（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。
钢结构的疲劳破坏事故讲解
6.6.2 焊接空心球节点网架的疲劳性能
与螺栓球节点网架相比，其整体刚度大，更适用 于悬挂吊车动载作用的工业厂房。试验证明受压时 不存在疲劳问题。
1984年，太原理工大学开始对焊接空心球节点网 架的静力及疲劳性能进行系统的理论及试验研究， 通过对4种规格、15个试件的常幅疲劳试验，得到了 工程中常用的管--球节点在剖口焊情况下的疲劳曲线 (如图)。
6.2.2 循环次数
应力循环次数是指在连续重复荷载作用下应力由最大到 最小的循环次数。在不同应力幅作用下，各类构件和连接产 生疲劳破坏的应力循环次数不同，应力幅愈大，循环次数愈 少。当应力幅小于一定数值时，即使应力无限次循环，也不 会产生疲劳破坏，即达到通称的疲劳极限。《钢结构设计规 范》参照有关标准的建议，将n=5×106次被视为各类构件和 连接疲劳极限对应的应力循环次数。
(3)材料缺陷 钢材中总是存在各种各样的缺陷，它们对
疲劳强度有很大髟响。其影响的程度取决于 缺陷的大小、形状、数量、位置、方向。
2 构造及加工
构造细节对高强螺栓疲劳性能的影响十分显著，它主要反 映了应力集中的严重程度。如螺栓的螺纹形式、键槽、螺帽 过渡圆角以及制作工艺和热处理加工等。
通常，高强螺栓的疲劳危险区有三处：①与螺栓球节点连 接处第一螺纹牙根部，经理论分析，各螺纹牙上的应力分配 是不均匀的，一般第一螺纹牙传递的应力为最大；②螺栓头 与螺杆的过渡圆角处；③螺纹与光滑部分的过渡处。试验表 明：疲劳破坏大都发生存第①最险区。
总之，依靠精心的选材、设计、制作、安装和使用，再加上焊接之后的 一些特殊工艺措施，可以达到提高和改善疲劳性能的作用。
6.4 疲劳设计准则
• 无限寿命设计 • 有限寿命设计 • 破损-安全设计 • 损伤-容限设计
浅谈钢结构桥梁的疲劳问题
浅谈钢结构桥梁的疲劳问题摘要：随着钢结构桥梁的疲劳问题的日趋突出，其疲劳设计问题也越来越得到重视。
在桥梁设计中，保证桥梁的安全性和耐久性是最根本的要求。
文中对目前应用广泛的钢结构桥梁的疲劳问题进行了探讨。
关键词：桥梁疲劳设计问题对策前言近年来，钢结构桥梁在我国公路桥梁中得到了越来越多的应用。
一方面，钢结构桥梁的疲劳问题日趋突出；另一方面，我国公路钢桥规范与英、美等国钢桥规范相比，在疲劳设计方面规定比较简单。
因此，在以我国桥梁疲劳设计经验为基础的同时，应参考一些国外规范，总结出适合我国交通行业的疲劳设计的有效方法。
一、钢结构桥梁的疲劳30年来，我国的公路桥梁及铁路桥梁建设得到了迅猛发展。
桥梁的结构体系多种多样，目前正在由传统的石拱桥、钢筋混凝土梁板式桥梁向现代的钢结构拱桥、斜拉桥以及悬索桥的趋势发展。
由于车辆载荷的随机性、超载以及运行的频繁性，钢结构桥梁的疲劳问题历年来备受关注。
和承载力和稳定性一样，疲劳是影响钢结构耐久性的主要因素之一。
由于构造细节不合理，在重复重载交通、风或是地震等交变荷载的作用下，钢结构由此产生疲劳裂纹，疲劳裂纹不断开裂，直至影响钢桥的使用，甚至断裂破坏。
为了避免钢结构桥梁发生疲劳破坏，必须在设计阶段就对疲劳问题进行细致的考虑。
二、钢结构桥梁疲劳特征的影响因素影响钢结构桥梁疲劳的因素有很多，归纳起来主要有以下3 种：1、结构的材料特性与疲劳有关的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。
需要注意的是结构的疲劳性能随钢材强度的提高仅有微弱增加的趋势，所以由疲劳强度所控制的构件，采用强度较高的钢材是不经济的。
一般说来，构件的尺寸增加时疲劳强度降低。
疲劳裂缝源通常萌生于结构的表面，这主要是因为结构外表面的应力水平往往也最高，外表面的缺陷往往也最多和表面层材料的约束小，使得滑移带最易开动。
2、结构构造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。
结构的制造和焊接工艺以及焊后处理工艺都对结构的初始应力分布和固有缺陷有较大的影响。
第6章 钢结构的疲劳破坏事故
第6章钢结构的疲劳破坏事故6.1 疲劳破坏的概念疲劳问题最初是在1829年由法国采矿工程师尔倍特（W.A.J.Albert）根据所做的铁链的重复载荷试验所提出的。
1939年波客来特（Poncelet）首先采用“疲劳”（Fatigue）一词来描述“在反复施加的载荷作用下的结构破坏现象。
”但是疲劳一词作为题目的第一篇论文是由勃累士畏特（Braithwaite）于1854年在伦敦土木工程年会上发表的，在第二次世界大战中，发生了多起飞机疲劳失事事故，人们从一系列的灾难性事故中，逐渐认识到疲劳破坏的严重性。
金属结构的疲劳是工程界早已关注的问题。
就金属结构包括飞机、车辆等各类结构都在内的总体，大约80—90%的破坏事故和疲劳有关。
其中土建钢结构所占的比重虽然不大，但随着焊接结构的发展，焊接吊车梁的疲劳问题已十分普遍，受到了工程界人士的重视。
目前钢结构设计规范（GBJ17-88）中已建立了疲劳验算方法，此方法对防止疲劳破坏的发生有重要作用。
钢结构的疲劳破坏是指钢材或构件在反复交变荷载作用下在应力远低于抗拉极限强度甚至屈服点的情况下发生的一种破坏。
就断裂力学的观点而言，疲劳破坏是裂纹起始、扩展到最终断裂的过程。
疲劳破坏与静力强度破坏是截然不同的两个概念。
它与塑性破坏、脆性破坏相比，具有以下特点：（1）疲劳破坏是钢结构在反复交变动载作用下的破坏形式，而塑性破坏和脆性破坏是钢结构在静载作用下的破坏形式。
（2）疲劳破坏虽然具有脆性破坏特征，但不完全相同。
疲劳破坏经历了裂缝起始、扩展和断裂的漫长过程，而脆性破坏往往是无任何先兆的情况下瞬间突然发生。
（3）就疲劳破坏断口而言，一般分为疲劳区和瞬断区。
疲劳区记载了裂缝扩展和闭合的过程，颜色发暗，表面有较清楚的疲劳纹理，呈沙滩状或波纹状。
瞬断区真实反映了当构件截面因裂缝扩展削弱到一临界尺寸时脆性断裂的特点。
瞬断区晶粒粗亮。
图6.1 疲劳断口分区6.2 疲劳破坏的影响因素分析疲劳是一个十分复杂的过程，从微观到宏观，疲劳破坏受到众多因素的影响。
钢结构防疲劳设计要点和构造要求
钢结构防疲劳设计要点和构造要求1. 直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数n 等于或大于5×10^4次时，应进行疲劳计算。
2. 钢结构构件及其连接的疲劳计算，不适用于下列条件：（1）构件表面温度高于150℃；（2）处于海水腐蚀环境；（3）焊后经热处理消除残余应力；（4）构件处于低周-高应变疲劳状态。
3. 疲劳计算应采用基于名义应力的容许应力幅法，名义应力应按弹性状态计算，容许应力幅应按构件和连接类别、应力循环次数以及计算部位的板件厚度确定。
对非焊接的构件和连接，其应力循环中不出现拉应力的部位可不计算疲劳强度。
4. 在低温下工作或制作安装的钢结构构件应进行防脆断设计。
5. 需计算疲劳构件所用钢材应具有冲击韧性的合格保证，钢材质量等级的选用应符合标准规定。
6.在结构使用寿命期间，当常幅疲劳或变幅疲劳的最大正应力幅和剪应力幅符合规范要求时，则疲劳强度满足要求，否者应进行疲劳计算。
7. 直接承受动力荷载重复作用的高强度螺栓连接，其疲劳计算应符合下列原则：（1）抗剪摩擦型连接可不进行疲劳验算，但其连接处开孔主体金属应进行疲劳计算；（2）栓焊并用连接应力应按全部剪力由焊缝承担的原则，对焊缝进行疲劳计算。
8. 直接承受动力重复作用并需进行疲劳验算的焊接连接应符合下列规定：（1）严禁使用塞焊、槽焊、电渣焊和气电立焊连接；（2）焊接连接中，当拉应力与焊缝轴线垂直时，严禁采用部分焊透对接焊缝、背面不清根的无衬垫焊缝；（3）不同厚度板材或管材对接时，均应加工成斜坡过渡；接口的错边量小于较薄板件厚度时，宜将焊缝焊成斜坡状，或将较厚板的一面(或两面)及管材的外壁(或内壁)在焊前加工成斜坡，其坡度最大允许值为1：4。
9. 需要验算疲劳的吊车梁、吊车桁架及类似结构应符合下列规定：（1）焊接吊车梁的翼缘板宜用一层钢板，当采用两层钢板时，外层钢板宜沿梁通长设置，并应在设计和施工中采用措施使上翼缘两层钢板紧密接触。