疲勞設(shè)計與中外規(guī)范介紹.ppt

1、疲勞設(shè)計與中外規(guī)范介紹,湖南大學(xué) 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(qiáng)度的重復(fù)或波動張應(yīng)力作用下形成的漸進(jìn)、局部和永久性的結(jié)構(gòu)損傷 疲勞破壞必要條件 存在拉應(yīng)力；應(yīng)力反復(fù)；產(chǎn)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(dāng)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(jié)構(gòu)應(yīng)變小，破壞前循環(huán)次數(shù)多 低周疲勞 地震作用 ：結(jié)構(gòu)應(yīng)變大，破壞前循環(huán)次數(shù)小 疲勞破壞經(jīng)歷三個階段： 裂紋的形成 裂紋的緩慢擴(kuò)展 最后迅速斷裂,一、疲勞概念,一、疲勞概念,四個術(shù)語 疲勞強(qiáng)度 疲勞極限 疲勞壽命 S-N曲線：,

2、結(jié)構(gòu)的材料特性 主要有: 鋼材的性能、 構(gòu)件尺寸、 結(jié)構(gòu)的表面狀況。鋼材強(qiáng)度影響較小。 結(jié)構(gòu)構(gòu)造 主要包括橋梁的結(jié)構(gòu)形式、 構(gòu)件的連接形式和構(gòu)造細(xì)節(jié)。 結(jié)構(gòu)的外部因素 主要有結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境以及外界荷載作用產(chǎn)生的應(yīng)力幅值和循環(huán)次數(shù)。,鋼結(jié)構(gòu)疲勞特征的影響因素：,一、疲勞概念,疲勞斷裂破壞的嚴(yán)重性:,一、疲勞概念,疲勞斷裂破壞的嚴(yán)重性:,美國Point Pleasant（Silver）Bridge,一、疲勞概念,疲勞斷裂破壞的嚴(yán)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(shè)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(yán)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(yán)重性: 需要考慮疲勞的正交異性鋼橋面板6種構(gòu)造： (1)縱肋邊緣用角焊縫連于面板的構(gòu)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(shè)計方法 無限壽命法 安全壽命法 破損-安全法 損傷容限設(shè)計 耐久性設(shè)計,二、疲勞設(shè)計,安全壽命設(shè)計計算流程,

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

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

6、幅 表3.2疲勞壽命 次的容許應(yīng)力幅,二、疲勞設(shè)計,中國國家標(biāo)準(zhǔn)- 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50017- 2003) 適用于直接承受和在重復(fù)作用、應(yīng)力變化循環(huán)次數(shù)n 大于 次的構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)值, 按允許應(yīng)力幅計算方法來驗算鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接的疲勞強(qiáng)度。對于非焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)件則采用折算應(yīng)力幅計算 構(gòu)件分為8 個分類, 考慮了以下主要連接形式: 高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接、 連孔構(gòu)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(shè)計的車輛荷載譜。,三、各國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范比較,中美歐鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計的比較：,歐洲鋼結(jié)構(gòu)

7、設(shè)計規(guī)范 （Eurocode 3: Design of steel structures ) 歐洲EN 1993鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范采用破損容限設(shè)計法（damage tolerant method）和安全壽命法（safe life method）進(jìn)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(jié)構(gòu)規(guī)范比較,歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 （Eurocode 3: Design of steel structures ) 名義應(yīng)力幅疲勞強(qiáng)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(jié)構(gòu)規(guī)范比較,圖4.1 按構(gòu)造分類的變幅荷載（EC3）下 曲線

8、,三、各國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范比較,歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 （Eurocode 3: Design of steel structures ) 該規(guī)范對構(gòu)造細(xì)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(shè)計表達(dá)式, 引進(jìn)了疲勞荷載的分項系數(shù) 和疲勞強(qiáng)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(yīng)力譜來確定。,美國鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范（AASHTO LRFD Bridge Design Specifications） 該規(guī)范同樣采用了安全壽命設(shè)計方法, 對于每個細(xì)節(jié)的計算公式如下:,三、各國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范比較,美國鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范（A

9、ASHTO LRFD Bridge Design Specifications） 對于基材在細(xì)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(yīng)取 及下列值二者中之較小值：,三、各國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范比較,美國鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范（AASHTO LRFD Bridge Design Specifications） 規(guī)范中將構(gòu)造細(xì)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(yīng)力范圍與循環(huán)次數(shù),三、各國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范比較,國外公路橋梁荷載譜比較：,三、各國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范比較,英國標(biāo)準(zhǔn)BS5400鋼橋、混凝土橋及結(jié)合橋 BS5400將公路車輛

10、標(biāo)準(zhǔn)荷載譜分為三種方式：典型車輛標(biāo)準(zhǔn)荷載譜；標(biāo)準(zhǔn)疲勞車荷載譜；軸重荷載譜。 英國公路橋標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)規(guī)范比較,歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)規(guī)范比較,美國鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)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(xì)節(jié)分級及要求對比：,三、各國鋼結(jié)構(gòu)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(xì)節(jié)分級及要求對比