疲勞計算與吊車梁設(shè)計ppt課件

1、本科教學(xué)本科教學(xué) 第十章 疲勞計算和吊車梁設(shè)計鋼構(gòu)造-原理與設(shè)計 第十章第十章 疲勞計算和吊車梁設(shè)計疲勞計算和吊車梁設(shè)計同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系 沈德洪10.5. 10.5. 鋼材的疲勞鋼材的疲勞10.5.1 10.5.1 疲勞破壞的特征疲勞破壞的特征定義：鋼材在循環(huán)荷載作用下，閱歷一定時間的損傷積累，構(gòu)件和定義：鋼材在循環(huán)荷載作用下，閱歷一定時間的損傷積累，構(gòu)件和銜接部位呈現(xiàn)裂紋，直到最后斷裂破壞。稱為疲勞破壞。銜接部位呈現(xiàn)裂紋，直到最后斷裂破壞。稱為疲勞破壞。破壞特點：破壞特點：1 1疲勞破壞時的應(yīng)力小于鋼材的屈服強(qiáng)度，鋼材的塑性還沒有疲勞破壞時的應(yīng)力小于鋼材的屈服強(qiáng)度，鋼材的塑性還沒有展開，

2、屬于脆性破壞。危險性大。展開，屬于脆性破壞。危險性大。3 3疲勞對缺陷非常敏感。疲勞對缺陷非常敏感。 2 2疲勞破壞的斷口與普通脆性破壞的斷口疲勞破壞的斷口與普通脆性破壞的斷口不同。普通脆性破壞后的斷口平直，呈有光澤不同。普通脆性破壞后的斷口平直，呈有光澤的晶粒狀或人字紋。而疲勞破壞的主要斷口特的晶粒狀或人字紋。而疲勞破壞的主要斷口特征是放射和年輪狀花紋。征是放射和年輪狀花紋。 第十章第十章 疲勞計算和吊車梁設(shè)計疲勞計算和吊車梁設(shè)計同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系 沈德洪疲勞破壞的實例疲勞破壞的實例 第十章第十章 疲勞計算和吊車梁設(shè)計疲勞計算和吊車梁設(shè)計同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系 沈德洪疲勞斷裂過程疲勞斷裂過程

3、裂紋構(gòu)成裂紋構(gòu)成裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展裂紋失穩(wěn)裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂擴(kuò)展斷裂非焊接構(gòu)造非焊接構(gòu)造三階段三階段焊接構(gòu)造焊接構(gòu)造二階段二階段本身存在類似本身存在類似裂紋的缺陷裂紋的缺陷疲勞分類疲勞分類l高周疲勞應(yīng)力疲勞高周疲勞應(yīng)力疲勞l 任務(wù)應(yīng)力小于任務(wù)應(yīng)力小于fy，沒有明顯的塑性變形，沒有明顯的塑性變形，壽命壽命n5104次。如吊車梁、橋梁、海洋平臺次。如吊車梁、橋梁、海洋平臺在日常荷載下的疲勞破壞在日常荷載下的疲勞破壞l 低周疲勞應(yīng)變疲勞低周疲勞應(yīng)變疲勞l任務(wù)應(yīng)力大于任務(wù)應(yīng)力大于fy，有較大的塑性變形，壽命，有較大的塑性變形，壽命n1025104次。如劇烈地震下普通鋼構(gòu)造次。如劇烈地震下普通鋼構(gòu)造

4、的疲勞破壞。的疲勞破壞。 第十章第十章 疲勞計算和吊車梁設(shè)計疲勞計算和吊車梁設(shè)計同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系 沈德洪疲勞荷載類型疲勞荷載類型常幅循環(huán)應(yīng)力常幅循環(huán)應(yīng)力t變幅應(yīng)力變幅應(yīng)力應(yīng)力比應(yīng)力比拉應(yīng)力取正號而壓應(yīng)力取負(fù)號拉應(yīng)力取正號而壓應(yīng)力取負(fù)號minmax應(yīng)力幅應(yīng)力幅maxmin 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n n，疲勞壽命，疲勞壽命構(gòu)造或構(gòu)件破壞時所閱歷的應(yīng)力變化次構(gòu)造或構(gòu)件破壞時所閱歷的應(yīng)力變化次數(shù)。數(shù)。 第十章第十章 疲勞計算和吊車梁設(shè)計疲勞計算和吊車梁設(shè)計同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系 沈德洪10.5.2 10.5.2 常幅疲勞常幅疲勞當(dāng)應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅堅持常量時，稱為常幅當(dāng)應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅堅持常量時

5、，稱為常幅疲勞。疲勞。 1.1.非焊接構(gòu)造的疲勞非焊接構(gòu)造的疲勞大量實驗研討闡明，疲勞強(qiáng)度除于主體金屬和銜接類型有關(guān)外，大量實驗研討闡明，疲勞強(qiáng)度除于主體金屬和銜接類型有關(guān)外，還與循環(huán)應(yīng)力比還與循環(huán)應(yīng)力比r r和循環(huán)次數(shù)和循環(huán)次數(shù)n n有關(guān)。有關(guān)。當(dāng)以當(dāng)以n=2n=2106106為疲勞壽命時，我國為疲勞壽命時，我國? ?鋼構(gòu)造設(shè)計規(guī)范鋼構(gòu)造設(shè)計規(guī)范? ?給出了驗給出了驗算以拉應(yīng)力為主的疲勞計算公式算以拉應(yīng)力為主的疲勞計算公式 pmax10.5.1k-1p0p10.5.2 第十章第十章 疲勞計算和吊車梁設(shè)計疲勞計算和吊車梁設(shè)計同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系 沈德洪2. 2. 焊接構(gòu)造的疲勞焊接構(gòu)造的疲勞經(jīng)

6、過大量實驗研討闡明，控制焊接構(gòu)造疲勞壽命最主要的要素是構(gòu)件和銜經(jīng)過大量實驗研討闡明，控制焊接構(gòu)造疲勞壽命最主要的要素是構(gòu)件和銜接的類型、應(yīng)力幅接的類型、應(yīng)力幅DsDs以及循環(huán)次數(shù)以及循環(huán)次數(shù)n n，而與應(yīng)力比無關(guān)。，而與應(yīng)力比無關(guān)。焊縫部位存在剩余拉應(yīng)力，通常到達(dá)鋼材的屈服點焊縫部位存在剩余拉應(yīng)力，通常到達(dá)鋼材的屈服點fy fy ，該處是產(chǎn)生和開，該處是產(chǎn)生和開展疲勞裂紋最敏感的區(qū)域。展疲勞裂紋最敏感的區(qū)域。 maxyf最大：最大：maxminyyff 最?。鹤钚。簓yff真實應(yīng)力比：真實應(yīng)力比：fyfyfyfyfyfy剩余應(yīng)力的分布剩余應(yīng)力的分布焊縫附近真實應(yīng)力比的大小取決于應(yīng)力幅焊縫附近真

7、實應(yīng)力比的大小取決于應(yīng)力幅DsDs的大小的大小 第十章第十章 疲勞計算和吊車梁設(shè)計疲勞計算和吊車梁設(shè)計同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系 沈德洪應(yīng)力幅應(yīng)力幅與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n n疲勞壽命的關(guān)疲勞壽命的關(guān)系系0 NX105 1n1 2n2 bfy123456S S S S0lgn lg.b1b1lgClglgn 11 1應(yīng)力幅值越低，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)就應(yīng)力幅值越低，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)就越多，疲勞壽命也越高。越多，疲勞壽命也越高。2 2當(dāng)應(yīng)力幅值減小到一定程度時，當(dāng)應(yīng)力幅值減小到一定程度時，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)趨向無窮大。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)趨向無窮大。 允許應(yīng)力幅允許應(yīng)力幅 的定的定義義 1(2.5.4)CN 第十章第十章

8、 疲勞計算和吊車梁設(shè)計疲勞計算和吊車梁設(shè)計同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系 沈德洪 2 2思索到實驗的離散性，取平均值減去兩倍思索到實驗的離散性，取平均值減去兩倍lgnlgn的規(guī)范差的規(guī)范差2s2s作為疲勞強(qiáng)度的下作為疲勞強(qiáng)度的下限值，圖中藍(lán)色虛線所示。該虛線上的應(yīng)力幅定義為對應(yīng)于某疲勞壽命的允許應(yīng)力幅。限值，圖中藍(lán)色虛線所示。該虛線上的應(yīng)力幅定義為對應(yīng)于某疲勞壽命的允許應(yīng)力幅。3 3假設(shè)假設(shè)lgnlgn符合正態(tài)分布，那么構(gòu)件或符合正態(tài)分布，那么構(gòu)件或銜接的疲勞強(qiáng)度的保證率為銜接的疲勞強(qiáng)度的保證率為97.797.7。 4 4允許應(yīng)力幅的表達(dá)式允許應(yīng)力幅的表達(dá)式DsDs可經(jīng)過可經(jīng)過兩個類似三角形求出。那么得

9、到允許應(yīng)兩個類似三角形求出。那么得到允許應(yīng)力幅的表達(dá)式為：力幅的表達(dá)式為： S S S S0lgn lg.b1b1lgClglgn 11(2.5.4)CN 5 5式中：系數(shù)式中：系數(shù)、C C根據(jù)根據(jù)? ?鋼構(gòu)造設(shè)計規(guī)范鋼構(gòu)造設(shè)計規(guī)范- -疲勞計算的構(gòu)件和銜疲勞計算的構(gòu)件和銜接分類接分類? ?查表查表2.5.12.5.1得到。分類見教材得到。分類見教材P407P407附錄附錄7 76 6允許應(yīng)力幅與鋼材的強(qiáng)度無關(guān)，這闡明不同種類的鋼材具有一樣的抗疲勞性允許應(yīng)力幅與鋼材的強(qiáng)度無關(guān)，這闡明不同種類的鋼材具有一樣的抗疲勞性能。能。1 1應(yīng)力幅循環(huán)次數(shù)紅色實線所示關(guān)系曲線為實驗回歸曲線，反響了平均應(yīng)力幅

10、循環(huán)次數(shù)紅色實線所示關(guān)系曲線為實驗回歸曲線，反響了平均值之間的關(guān)系。值之間的關(guān)系。 第十章第十章 疲勞計算和吊車梁設(shè)計疲勞計算和吊車梁設(shè)計同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系 沈德洪3. 3. 常幅疲勞驗算常幅疲勞驗算 疲勞允許應(yīng)力幅疲勞允許應(yīng)力幅 與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n n的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線11 4 3 (N/mm2)(N/mm2)對數(shù)尺對數(shù)尺n對數(shù)尺對數(shù)尺規(guī)范將不同構(gòu)造和受力特點的鋼構(gòu)件和銜接，按其疲勞性能的上下歸規(guī)范將不同構(gòu)造和受力特點的鋼構(gòu)件和銜接，按其疲勞性能的上下歸并劃分為并劃分為8 8個疲勞計算類別，并對每個類別規(guī)定了相應(yīng)的參數(shù)取值。個疲勞計算類別，并對每個類別規(guī)定了相應(yīng)的參數(shù)取值。

11、第十章第十章 疲勞計算和吊車梁設(shè)計疲勞計算和吊車梁設(shè)計同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系 沈德洪表表10.5.110.5.1參數(shù)和參數(shù)和b b的取值的取值構(gòu)件和連構(gòu)件和連接類別接類別123456781940101286110123.2610122.1810121.4710120.9610120.6510120.411012 44333333 國內(nèi)外實驗證明，除了個別在疲勞計算中不起控制造用類別國內(nèi)外實驗證明，除了個別在疲勞計算中不起控制造用類別的疲勞強(qiáng)度有隨鋼材的強(qiáng)度提高而稍有添加外，大多數(shù)焊接銜的疲勞強(qiáng)度有隨鋼材的強(qiáng)度提高而稍有添加外，大多數(shù)焊接銜接類別的疲勞強(qiáng)度不受鋼材強(qiáng)度的影響，這一點，經(jīng)過表達(dá)式接類

12、別的疲勞強(qiáng)度不受鋼材強(qiáng)度的影響，這一點，經(jīng)過表達(dá)式10.5.410.5.4也能闡明。也能闡明。 第十章第十章 疲勞計算和吊車梁設(shè)計疲勞計算和吊車梁設(shè)計同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系 沈德洪 疲勞計算采用允許應(yīng)力幅法，按彈性形狀計算應(yīng)力進(jìn)展計算。疲勞計算采用允許應(yīng)力幅法，按彈性形狀計算應(yīng)力進(jìn)展計算。計算只適用于無高溫計算只適用于無高溫t150、無嚴(yán)重腐蝕環(huán)境中的高周低應(yīng)、無嚴(yán)重腐蝕環(huán)境中的高周低應(yīng)變的疲勞計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)變的疲勞計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n5104。常幅疲勞的計算公式常幅疲勞的計算公式10.5.7規(guī)范荷載下的設(shè)計應(yīng)力幅；規(guī)范荷載下的設(shè)計應(yīng)力幅；對于焊接部位的設(shè)計應(yīng)力幅對于焊接部位的設(shè)計應(yīng)力幅: =

13、max- min ； 對于非焊接部位的折算應(yīng)力幅：對于非焊接部位的折算應(yīng)力幅：= max- 0.7 min max每次應(yīng)力循環(huán)中，計算部位的最大拉應(yīng)力取正值每次應(yīng)力循環(huán)中，計算部位的最大拉應(yīng)力取正值 min每次應(yīng)力循環(huán)中，計算部位的最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力每次應(yīng)力循環(huán)中，計算部位的最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力拉應(yīng)拉應(yīng) 力取正值，壓應(yīng)力取負(fù)值；力取正值，壓應(yīng)力取負(fù)值； 常幅疲勞的允許應(yīng)力幅常幅疲勞的允許應(yīng)力幅 第十章第十章 疲勞計算和吊車梁設(shè)計疲勞計算和吊車梁設(shè)計同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系 沈德洪10.5.3 10.5.3 變幅疲勞變幅疲勞當(dāng)應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅隨機(jī)變化時為變幅疲勞。當(dāng)應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅隨機(jī)變化時為變幅

14、疲勞。2變幅荷載變幅荷載可將變幅疲勞折算為等效的可將變幅疲勞折算為等效的常幅疲勞，然后按常幅疲勞常幅疲勞，然后按常幅疲勞檢算式檢算。檢算式檢算。ee等效常幅疲勞應(yīng)力幅。等效常幅疲勞應(yīng)力幅。 常幅疲勞的允許應(yīng)力幅。常幅疲勞的允許應(yīng)力幅。 情形一可以測得運用期內(nèi)應(yīng)力變幅規(guī)律情形一可以測得運用期內(nèi)應(yīng)力變幅規(guī)律tn1ie(10.5.8)(10.5.8)a a檢算公式檢算公式 第十章第十章 疲勞計算和吊車梁設(shè)計疲勞計算和吊車梁設(shè)計同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系 沈德洪 第十章第十章 疲勞計算和吊車梁設(shè)計疲勞計算和吊車梁設(shè)計同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系 沈德洪b) b) 計算計算e 假設(shè)能預(yù)測構(gòu)造在運用壽命期間各種荷載的應(yīng)

15、力幅以及次數(shù)假設(shè)能預(yù)測構(gòu)造在運用壽命期間各種荷載的應(yīng)力幅以及次數(shù)分布所構(gòu)成的設(shè)計應(yīng)力譜，那么根據(jù)累積損傷原理可將變幅疲勞分布所構(gòu)成的設(shè)計應(yīng)力譜，那么根據(jù)累積損傷原理可將變幅疲勞折合為等效常幅疲勞，將隨機(jī)變化的應(yīng)力幅折算為等效應(yīng)力幅折合為等效常幅疲勞，將隨機(jī)變化的應(yīng)力幅折算為等效應(yīng)力幅e按下式進(jìn)展疲勞計算：按下式進(jìn)展疲勞計算：1iiienn(10.5.13)(10.5.13)ni ni 以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)表示的構(gòu)造預(yù)期運用壽命；以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)表示的構(gòu)造預(yù)期運用壽命； ni ni 預(yù)期壽命內(nèi)應(yīng)力幅程度到達(dá)預(yù)期壽命內(nèi)應(yīng)力幅程度到達(dá)i i的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 第十章第十章 疲勞計算和吊車梁設(shè)計疲勞

16、計算和吊車梁設(shè)計同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系 沈德洪 情形二情形二不能測得運用期內(nèi)應(yīng)力變幅規(guī)律不能測得運用期內(nèi)應(yīng)力變幅規(guī)律 設(shè)計重級任務(wù)制吊車的吊車梁和重級、中級任務(wù)制吊車桁架時，設(shè)計重級任務(wù)制吊車的吊車梁和重級、中級任務(wù)制吊車桁架時，應(yīng)力幅是按滿載得出的，實踐上經(jīng)常發(fā)生不同程度欠載情況。假設(shè)應(yīng)力幅是按滿載得出的，實踐上經(jīng)常發(fā)生不同程度欠載情況。假設(shè)沒有對實踐應(yīng)力幅的統(tǒng)計資料，即屬本情形。運用欠載效應(yīng)系數(shù)，沒有對實踐應(yīng)力幅的統(tǒng)計資料，即屬本情形。運用欠載效應(yīng)系數(shù)，按常幅疲勞進(jìn)展計算。按常幅疲勞進(jìn)展計算。 計算公式計算公式6102nf10.5.1510.5.15f 欠載效應(yīng)的等效系數(shù)欠載效應(yīng)的等效系數(shù)e

17、f6102n循環(huán)次數(shù)為循環(huán)次數(shù)為n=2106次的允許應(yīng)力幅。次的允許應(yīng)力幅。 第十章第十章 疲勞計算和吊車梁設(shè)計疲勞計算和吊車梁設(shè)計同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系 沈德洪1.00.80.5重級任務(wù)制硬鉤吊車重級任務(wù)制硬鉤吊車 重級任務(wù)制軟鉤吊車梁重級任務(wù)制軟鉤吊車梁中級任務(wù)制吊車中級任務(wù)制吊車 f吊車梁類別吊車梁類別表表10-2 10-2 吊車梁或吊車桁架欠載效應(yīng)系數(shù)吊車梁或吊車桁架欠載效應(yīng)系數(shù)59697890103118144176N/mm2n=210687654321銜接方式類別銜接方式類別表表2-3 n=22-3 n=2106106的允許應(yīng)力幅值的允許應(yīng)力幅值 第十章第十章 疲勞計算和吊車梁設(shè)計疲

18、勞計算和吊車梁設(shè)計同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系 沈德洪疲勞破壞中一些值得留意的問題疲勞破壞中一些值得留意的問題1 1疲勞驗算采用的是允許應(yīng)力設(shè)計法，而不是以概率論為根底的疲勞驗算采用的是允許應(yīng)力設(shè)計法，而不是以概率論為根底的設(shè)計方法。這主要是由于焊接構(gòu)件焊縫周圍的力學(xué)性能非常復(fù)雜，設(shè)計方法。這主要是由于焊接構(gòu)件焊縫周圍的力學(xué)性能非常復(fù)雜，目前還沒有較好實驗或數(shù)值方法對其進(jìn)展以概率論為根底的研討。目前還沒有較好實驗或數(shù)值方法對其進(jìn)展以概率論為根底的研討。采用荷載規(guī)范值計算。采用荷載規(guī)范值計算。2 2對于只需壓應(yīng)力的應(yīng)力循環(huán)作用，由于鋼材內(nèi)部缺陷不易開展，對于只需壓應(yīng)力的應(yīng)力循環(huán)作用，由于鋼材內(nèi)部缺陷不易開展，那么不會發(fā)生疲勞