疲劳计算与吊车梁设计ppt课件

1、第第10章章 疲劳计算和吊车梁设计疲劳计算和吊车梁设计10.1 关于疲劳计算的基本概念关于疲劳计算的基本概念（1疲劳破坏：疲劳破坏： 钢结构构件和其连接在多次重复加载和卸载作用下，在其钢结构构件和其连接在多次重复加载和卸载作用下，在其强度甚至低于钢材屈服点的情况下突然断裂，称为疲劳破坏。强度甚至低于钢材屈服点的情况下突然断裂，称为疲劳破坏。 特点：断裂时，截面上的应力低于材料的抗拉强度，甚至特点：断裂时，截面上的应力低于材料的抗拉强度，甚至 低于屈服强度；属于脆性破坏，塑性变形极小，没有预兆，低于屈服强度；属于脆性破坏，塑性变形极小，没有预兆， 危险性较大。危险性较大。 疲劳断裂分为三个阶段：

2、裂纹的形成、裂纹缓慢扩展与疲劳断裂分为三个阶段：裂纹的形成、裂纹缓慢扩展与 最后迅速断裂。最后迅速断裂。 所以在工作繁重的吊车梁、吊车桁架和工作平台梁等构件的所以在工作繁重的吊车梁、吊车桁架和工作平台梁等构件的 设计中要考虑疲劳问题设计中要考虑疲劳问题 我国钢结构设计规范我国钢结构设计规范GB50017-2019中规定凡构件或其连接的应力中规定凡构件或其连接的应力变化循环次数变化循环次数n5万次，均应对其进行疲劳计算万次，均应对其进行疲劳计算（2疲劳破坏的模式疲劳破坏的模式钢结构中总是存在裂纹，如焊缝中的微观裂纹、孔洞、夹渣等缺陷；钢结构中总是存在裂纹，如焊缝中的微观裂纹、孔洞、夹渣等缺陷；非

3、焊接结构中的冲孔、剪边、气割等也存在微观裂纹。非焊接结构中的冲孔、剪边、气割等也存在微观裂纹。在多次重复荷载作用下，微细裂痕缓慢扩展，最后发展到削弱了原有在多次重复荷载作用下，微细裂痕缓慢扩展，最后发展到削弱了原有截面，使构件或连接因净截面强度不足而突然破坏。截面，使构件或连接因净截面强度不足而突然破坏。 在疲劳断口截面上，可以发现存在在疲劳断口截面上，可以发现存在以某点为中心、向外扩展呈半椭圆状以某点为中心、向外扩展呈半椭圆状的光滑区和余下的粗糙区。的光滑区和余下的粗糙区。 多次重复荷载作用下，裂纹的张和多次重复荷载作用下，裂纹的张和闭使裂纹逐渐扩展而形成断口的光滑区，闭使裂纹逐渐扩展而形成

4、断口的光滑区，被突然拉断的断口为粗糙区。被突然拉断的断口为粗糙区。（3构件和连接的构造形式和加工情况对钢结构的疲劳性构件和连接的构造形式和加工情况对钢结构的疲劳性能的影响能的影响1钢材的内部缺陷，如偏析、夹渣、分层、裂纹等；钢材的内部缺陷，如偏析、夹渣、分层、裂纹等；2制作过裎中剪切、冲孔、切割；制作过裎中剪切、冲孔、切割；3焊接结构中产生的残余应力；焊接结构中产生的残余应力；4焊接缺陷的存在，如：气孔、夹渣、咬肉、未焊透等；焊接缺陷的存在，如：气孔、夹渣、咬肉、未焊透等；5非焊接结构的孔洞、刻槽等；非焊接结构的孔洞、刻槽等；6构件的截而突变；构件的截而突变；7结构由于安装、温度应力、不均匀沉

5、降等产生的附加应力集中结构由于安装、温度应力、不均匀沉降等产生的附加应力集中 构件和连接中应力集中大小和残余应力对钢结构的疲劳强度影响显著构件和连接中应力集中大小和残余应力对钢结构的疲劳强度影响显著 （4应力循环应力循环 1应力比应力比 min/max 连续重复荷载之下应力从最大到最小重复一周叫做一个循环。应连续重复荷载之下应力从最大到最小重复一周叫做一个循环。应力循环特征常用应力比力循环特征常用应力比来表示，拉应力取正值，压应力取负值。来表示，拉应力取正值，压应力取负值。 =1时，称为完全对称循环；时，称为完全对称循环； =0时，称为脉冲循环；时，称为脉冲循环；=1时，为静荷载；时，为静荷载

6、；01时，为同号应力循环；时，为同号应力循环；10时，为异号应力循环。时，为异号应力循环。静力荷载静力荷载 脉冲循环脉冲循环 2应力幅应力幅 在循环荷载作用下，应力从最大在循环荷载作用下，应力从最大max 到到最小最小min重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅。即差为应力幅。即 =maxmin 上图中上图中b到到e图为等图为等幅循环幅循环完全对称循环完全对称循环 变幅循环变幅循环（5应力循环次数应力循环次数n对疲劳强度的影响对疲劳强度的影响 纵坐标为疲劳强度，横坐标为致损循环次数或疲劳寿命纵坐标为疲劳强度，横坐标为致损循环次数或疲劳寿命应力

7、循环次数应力循环次数: 指在连续重复荷载作用下应力由最大到最小的循环次数。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，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，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。也不会产生疲劳破坏。 应力比变化时，疲劳强度的极限就不同应力比变化时，疲劳强度的极限就不同焊接结构的疲劳焊接结构的疲劳例如焊接结构中，焊接工字型板梁在其与腹板相交处的翼缘板内存在例如

8、焊接结构中，焊接工字型板梁在其与腹板相交处的翼缘板内存在着较大的残余应力，其值可达钢材的屈服点，对疲劳强度影响非常大着较大的残余应力，其值可达钢材的屈服点，对疲劳强度影响非常大研究表明：焊缝附近真实应力比的大小取决于应力幅研究表明：焊缝附近真实应力比的大小取决于应力幅Ds的大小的大小通过大量试验研究表明，控制焊接结构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、寿命最主要的因素是构件和连接的类型、应力幅应力幅Ds以及循环次数以及循环次数n，而与应力比无关。，而与应力比无关。fyfyfyfyfyfy残余应力的分布残余应力的分布10.2疲劳计算疲劳计算我国规范疲劳计

9、算采用容许应力幅方法，采用荷载标准值，我国规范疲劳计算采用容许应力幅方法，采用荷载标准值，应力按弹性状态计算应力按弹性状态计算（1疲劳计算的条件：我国钢结构设计规范疲劳计算的条件：我国钢结构设计规范GB50017-2019中规定凡构件或其连接的应力变化循环次数中规定凡构件或其连接的应力变化循环次数n5万次，均应对万次，均应对其进行疲劳计算其进行疲劳计算 （2常幅疲劳验算计算：常幅疲劳验算计算： 焊接结构的应力幅焊接结构的应力幅 =maxmin； 非焊接部位的应力幅非焊接部位的应力幅 =max0.7min， 应力拉为正，压为负。应力拉为正，压为负。 常幅疲劳的容许应力幅常幅疲劳的容许应力幅容许应

10、力幅是根据大量实验资料经统计分析提出。容许应力幅是根据大量实验资料经统计分析提出。图中各黑点是对某一构件或连接所得的试验点，表示应力幅图中各黑点是对某一构件或连接所得的试验点，表示应力幅和致损循环次数的关系，实线为统计平均值直线，所得容许应力幅的保证率和致损循环次数的关系，实线为统计平均值直线，所得容许应力幅的保证率为为50%;虚线为从统计平均值直线减去虚线为从统计平均值直线减去2倍的标准差得到，所得容许应力幅的倍的标准差得到，所得容许应力幅的保证率为保证率为97.7%可将变幅疲劳折算为等效的常幅疲劳，然后按常幅疲劳检算式检算。按可将变幅疲劳折算为等效的常幅疲劳，然后按常幅疲劳检算式检算。按下

11、式进行计算下式进行计算（3变幅疲劳计算变幅疲劳计算e(10.4)(10.4) e等效常幅疲劳应力幅。等效常幅疲劳应力幅。 常幅疲劳的容许应力幅。常幅疲劳的容许应力幅。 计算计算e 根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合为等效常幅疲劳，根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合为等效常幅疲劳， 将随机变化的应力幅折算为等效应力幅将随机变化的应力幅折算为等效应力幅e按下式进行疲劳计算：按下式进行疲劳计算：1iiienn(10.5)(10.5)公式公式10.5是根据总的损伤按线性叠加计算是根据总的损伤按线性叠加计算 设计重级工作制吊车的吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架时，设计重级工作制吊车的吊车梁和重级、中级工作制

12、吊车桁架时，应力幅是按满载得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。应力幅是按满载得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。GBJl7-GBJl7- -设计规范引入欠载效应系数，按常幅疲劳进行计算设计规范引入欠载效应系数，按常幅疲劳进行计算（4吊车梁疲劳计算吊车梁疲劳计算6102nf（10.610.6）f 欠载效应的等效系数欠载效应的等效系数ef6102n循环次数为循环次数为n=2106次的容许应力幅次的容许应力幅,按按50年考虑。年考虑。【例题10.1】某由双角钢组成的轴心受拉构件，钢材为Q235-B，截面为275 x8，截面积A=2x11.50=23.Ocm2。节点板厚12mm，与角钢用四条侧

13、面角焊缝相连如图10.5所示。拉杆承受等幅循环荷载，预期应力循环次数n =1.5E6次，最大荷载标准值Nkmax= 370kN，最小荷载标准值Nkmin=220kN，最大荷载设计值Nmax= 490kN。焊缝尺寸如图示。试验算此轴心拉杆和连接的静力强度与疲劳强度(1)(1)荷载设计值作用下的静力强度验算荷载设计值作用下的静力强度验算（2 2疲劳计算疲劳计算1) 1) 构件的抗拉强度构件的抗拉强度2 2角钢背角焊缝的强度角钢背角焊缝的强度3 3角钢趾尖角焊缝的强度角钢趾尖角焊缝的强度1 1侧面角焊缝端部主体金属角钢的疲劳侧面角焊缝端部主体金属角钢的疲劳2 2角钢背角焊缝的疲劳角钢背角焊缝的疲劳3

14、 3角钢趾尖角焊缝的疲劳角钢趾尖角焊缝的疲劳本题的构件和连接，其静力强度和疲劳强度都满足要求。本题的构件和连接，其静力强度和疲劳强度都满足要求。10.5吊车梁的设计要点吊车梁的设计要点一、吊车梁的荷载一、吊车梁的荷载二、吊车梁截面的组成及验算二、吊车梁截面的组成及验算 吊车在吊车梁上运动产生三个方向的动力荷载：竖向荷载、横向水吊车在吊车梁上运动产生三个方向的动力荷载：竖向荷载、横向水平荷载和沿吊车梁纵向的水平荷载。平荷载和沿吊车梁纵向的水平荷载。纵向水平荷载是指吊车刹车力，其沿轨道方向由吊车梁传给柱间支撑，纵向水平荷载是指吊车刹车力，其沿轨道方向由吊车梁传给柱间支撑，计算吊车梁截面时不予考虑。

15、计算吊车梁截面时不予考虑。一、吊车梁的荷载一、吊车梁的荷载（1吊车梁的竖向荷载吊车梁的竖向荷载 吊车梁的竖向荷载标准值应采用吊车最大轮压或最小轮吊车梁的竖向荷载标准值应采用吊车最大轮压或最小轮压。吊车沿轨道运行、起吊、卸载以及工件翻转时将引起压。吊车沿轨道运行、起吊、卸载以及工件翻转时将引起吊车梁振动，特别是当吊车越过轨道接头处的空隙时还将吊车梁振动，特别是当吊车越过轨道接头处的空隙时还将发生撞击，因此在计算吊车梁及其连接强度时吊车竖向荷发生撞击，因此在计算吊车梁及其连接强度时吊车竖向荷载应乘以动力系数。载应乘以动力系数。作用在吊车梁上的最大轮压设计值作用在吊车梁上的最大轮压设计值:建筑结构荷

16、载规范的规定的吊车工作级别与钢结构设计规范规定的工作制等建筑结构荷载规范的规定的吊车工作级别与钢结构设计规范规定的工作制等级的对应关系：级的对应关系：A1-3级，相当于轻级工作制，级，相当于轻级工作制，A4-5为中级工作制，为中级工作制，A6-7为为重级工作制，重级工作制， A8为超重级工作制吊车为超重级工作制吊车 吊车的横向水平荷载由吊车的小车的运行机构在启动或者制动时引起吊车的横向水平荷载由吊车的小车的运行机构在启动或者制动时引起惯性力产生，以横向水平集中荷载形式作用于吊车轨顶每个吊车轮子惯性力产生，以横向水平集中荷载形式作用于吊车轨顶每个吊车轮子处，方向与吊车梁垂直。处，方向与吊车梁垂直

17、。 横向水平荷载的指向考虑正反两个方向的刹车情况横向水平荷载的指向考虑正反两个方向的刹车情况2.吊车的横向水平荷载吊车的横向水平荷载依依T，除计算吊车制动梁结构的水平挠度时，横向水平荷载标准值应取，除计算吊车制动梁结构的水平挠度时，横向水平荷载标准值应取Tk， 在验算强度、稳定性时应取在验算强度、稳定性时应取H 按大连起重机器厂1984年产品样本，查得上述桥式吊车的最大轮压标准值Pk=30.7t，横行小车重量Q1=26.4t吊车的轮距如图10.10所示。钢轨型号为QUlOO，轨高150mm.（2吊车梁的内力计算吊车梁的内力计算利用材料力学利用材料力学和结构力学和结构力学（影响线知识（影响线知识

18、找弯矩最大处找弯矩最大处 1) 1)两台吊车竖向轮压设计值作用下的梁内绝对最大弯矩两台吊车竖向轮压设计值作用下的梁内绝对最大弯矩MxMx，（用于计算吊车梁的抗弯强度和腹板的加劲肋间距（用于计算吊车梁的抗弯强度和腹板的加劲肋间距) )。2)2)两台吊车竖向轮压设计值作用下梁端的最大剪力用于两台吊车竖向轮压设计值作用下梁端的最大剪力用于计算粱的抗剪强度、腹板的加劲肋间距及支承加劲肋）计算粱的抗剪强度、腹板的加劲肋间距及支承加劲肋） 轮压位置如图轮压位置如图101011(6)11(6)所示：所示：两台吊车作用下产生粱端最大剪力的轮压位置两台吊车作用下产生粱端最大剪力的轮压位置3)3)两台吊车横向水平

19、荷载作用下制动动粱截面中的绝对最大两台吊车横向水平荷载作用下制动动粱截面中的绝对最大弯矩弯矩MyMy验算吊车梁受压翼缘板和制动粱的抗弯强度时用）验算吊车梁受压翼缘板和制动粱的抗弯强度时用） 轮压位置见图轮压位置见图10.11(a)10.11(a)所示，绝对最大弯矩发生在轮压作用处，可由所示，绝对最大弯矩发生在轮压作用处，可由未考虑梁自重影响的未考虑梁自重影响的MxMx设计值按横向水平荷载设计值设计值按横向水平荷载设计值H=42.17kNH=42.17kN和竖向轮和竖向轮压设计值压设计值P=463.8kNP=463.8kN的比求得：的比求得：4) 4) 一台吊车荷载标准值作用下的绝对最大弯矩用以

20、计一台吊车荷载标准值作用下的绝对最大弯矩用以计算吊车粱的疲劳、竖向挠度和制动粱的水平挠度）算吊车粱的疲劳、竖向挠度和制动粱的水平挠度） 轮压位置见圈轮压位置见圈1O.11 (c)1O.11 (c)所示，最大弯矩发生在轮压所示，最大弯矩发生在轮压所在截面。粱上轮压合力作用点显然位于四个轮压的中点。所在截面。粱上轮压合力作用点显然位于四个轮压的中点。一台吊车作用下产生绝对最大弯矩的轮压位置一台吊车作用下产生绝对最大弯矩的轮压位置一台吊车作用下产生梁端最大剪力的轮压位置：一台吊车作用下产生梁端最大剪力的轮压位置：5) 5) 一台吊车竖向轮压标准值作用下的粱端最大剪力一台吊车竖向轮压标准值作用下的粱端

21、最大剪力（用于疲劳计算轮压位置见图（用于疲劳计算轮压位置见图10.1110.11d d）。）。 为了便于在以后计算时选用，把上述计算所得的内力汇总于表10.5。 吊车梁内力汇总表 （3 3吊车梁截面的选用吊车梁截面的选用1)1)腹板高度腹板高度 兼顾经济高度和最小高度兼顾经济高度和最小高度2)2)腹板厚度腹板厚度3 3翼缘板截面翼缘板截面4 4初选吊车梁、制动梁和辅助桁架的上下弦杆如图初选吊车梁、制动梁和辅助桁架的上下弦杆如图10.1210.12所示所示（4吊车梁截面的验算吊车梁截面的验算1 1截面的几何特性截面的几何特性 吊车梁毛截面惯性矩吊车梁毛截面惯性矩2)2)吊车粱截面的强度验算参阅第

22、吊车粱截面的强度验算参阅第7 7章有关内容）章有关内容） 抗弯强度抗弯强度 上翼缘上翼缘 下冀缘下冀缘 整体稳定整体稳定 因设有制动梁，不需验算整体稳定。因设有制动梁，不需验算整体稳定。 抗剪强度抗剪强度 腹板计算高度上边缘的局部承压强度腹板计算高度上边缘的局部承压强度 绝对最大弯矩所在梁截面腹板计算高度上边缘的折算应力绝对最大弯矩所在梁截面腹板计算高度上边缘的折算应力3)3)挠度验算挠度验算 竖向挠度按一台吊车竖向轮压标准值计算）竖向挠度按一台吊车竖向轮压标准值计算） 制动结构的水平挠度按一台吊车标准值计算）制动结构的水平挠度按一台吊车标准值计算）（5疲劳计算疲劳计算1)1)受拉翼缘板上螺栓

23、孔附近的主体金属受拉翼缘板上螺栓孔附近的主体金属2)2)下翼缘连接焊缝附近的主体金属下翼缘连接焊缝附近的主体金属3)3)横向加劲肋端部附近的主体金属横向加劲肋端部附近的主体金属（6翼缘板和腹板的焊缝计算翼缘板和腹板的焊缝计算 1)上翼缘与腹板的连接焊缝采用焊透的上翼缘与腹板的连接焊缝采用焊透的T形接头对接与角接形接头对接与角接 组合焊缝，焊缝质量不低于二级标准，其强度不必计算。组合焊缝，焊缝质量不低于二级标准，其强度不必计算。 2)下翼缘板和腹板用双面角焊缝的自动焊连接下翼缘板和腹板用双面角焊缝的自动焊连接 按静力强度计算下翼缘的角焊缝尺寸按静力强度计算下翼缘的角焊缝尺寸 疲劳计算疲劳计算（7腹板加劲肋设计腹板加劲肋设计1)确定加劲肋的配置方式确定加劲肋的配置方式 需同时配置横向加劲肋和纵向加劲肋。需同时配置横向加劲肋和纵向加劲肋。2)选用加劲肋的距离选用加劲肋的距离 图图10.13加劲肋布置示意图加劲肋布置示意图3)3)受压翼缘与纵向加劲肋之间腹板区格的局部稳定性计算受压翼缘与纵向加劲肋之间腹板区格的局部稳定性计算条件条件 各种应力单独作用下的临界应力各种应力单独作用下的临界应力 因吊车粱受压翼缘连有制动钢板和钢轨，故接扭转受到因吊车粱受压翼缘连有制动钢板和钢轨，故接扭转受到 约束考虑。约束考虑。 a. a.弯曲临界应力弯曲临界应力 b. b.剪