疲劳计算与吊车梁设计ppt课件

1、本科教学本科教学 第十章 疲劳计算和吊车梁设计钢构造-原理与设计 第十章第十章 疲劳计算和吊车梁设计疲劳计算和吊车梁设计同济大学 建筑工程系 沈德洪10.5. 10.5. 钢材的疲劳钢材的疲劳10.5.1 10.5.1 疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征定义：钢材在循环荷载作用下，阅历一定时间的损伤积累，构件和定义：钢材在循环荷载作用下，阅历一定时间的损伤积累，构件和衔接部位呈现裂纹，直到最后断裂破坏。称为疲劳破坏。衔接部位呈现裂纹，直到最后断裂破坏。称为疲劳破坏。破坏特点：破坏特点：1 1疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有展开，

2、属于脆性破坏。危险性大。展开，属于脆性破坏。危险性大。3 3疲劳对缺陷非常敏感。疲劳对缺陷非常敏感。 2 2疲劳破坏的断口与普通脆性破坏的断口疲劳破坏的断口与普通脆性破坏的断口不同。普通脆性破坏后的断口平直，呈有光泽不同。普通脆性破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特征是放射和年轮状花纹。征是放射和年轮状花纹。 第十章第十章 疲劳计算和吊车梁设计疲劳计算和吊车梁设计同济大学 建筑工程系 沈德洪疲劳破坏的实例疲劳破坏的实例 第十章第十章 疲劳计算和吊车梁设计疲劳计算和吊车梁设计同济大学 建筑工程系 沈德洪疲劳断裂过程疲劳断裂过程

3、裂纹构成裂纹构成裂纹稳定扩展裂纹稳定扩展裂纹失稳裂纹失稳扩展断裂扩展断裂非焊接构造非焊接构造三阶段三阶段焊接构造焊接构造二阶段二阶段本身存在类似本身存在类似裂纹的缺陷裂纹的缺陷疲劳分类疲劳分类l高周疲劳应力疲劳高周疲劳应力疲劳l 任务应力小于任务应力小于fy，没有明显的塑性变形，没有明显的塑性变形，寿命寿命n5104次。如吊车梁、桥梁、海洋平台次。如吊车梁、桥梁、海洋平台在日常荷载下的疲劳破坏在日常荷载下的疲劳破坏l 低周疲劳应变疲劳低周疲劳应变疲劳l任务应力大于任务应力大于fy，有较大的塑性变形，寿命，有较大的塑性变形，寿命n1025104次。如剧烈地震下普通钢构造次。如剧烈地震下普通钢构造

4、的疲劳破坏。的疲劳破坏。 第十章第十章 疲劳计算和吊车梁设计疲劳计算和吊车梁设计同济大学 建筑工程系 沈德洪疲劳荷载类型疲劳荷载类型常幅循环应力常幅循环应力t变幅应力变幅应力应力比应力比拉应力取正号而压应力取负号拉应力取正号而压应力取负号minmax应力幅应力幅maxmin 应力循环次数应力循环次数n n，疲劳寿命，疲劳寿命构造或构件破坏时所阅历的应力变化次构造或构件破坏时所阅历的应力变化次数。数。 第十章第十章 疲劳计算和吊车梁设计疲劳计算和吊车梁设计同济大学 建筑工程系 沈德洪10.5.2 10.5.2 常幅疲劳常幅疲劳当应力循环内的应力幅坚持常量时，称为常幅当应力循环内的应力幅坚持常量时

5、，称为常幅疲劳。疲劳。 1.1.非焊接构造的疲劳非焊接构造的疲劳大量实验研讨阐明，疲劳强度除于主体金属和衔接类型有关外，大量实验研讨阐明，疲劳强度除于主体金属和衔接类型有关外，还与循环应力比还与循环应力比r r和循环次数和循环次数n n有关。有关。当以当以n=2n=2106106为疲劳寿命时，我国为疲劳寿命时，我国? ?钢构造设计规范钢构造设计规范? ?给出了验给出了验算以拉应力为主的疲劳计算公式算以拉应力为主的疲劳计算公式 pmax10.5.1k-1p0p10.5.2 第十章第十章 疲劳计算和吊车梁设计疲劳计算和吊车梁设计同济大学 建筑工程系 沈德洪2. 2. 焊接构造的疲劳焊接构造的疲劳经

6、过大量实验研讨阐明，控制焊接构造疲劳寿命最主要的要素是构件和衔经过大量实验研讨阐明，控制焊接构造疲劳寿命最主要的要素是构件和衔接的类型、应力幅接的类型、应力幅DsDs以及循环次数以及循环次数n n，而与应力比无关。，而与应力比无关。焊缝部位存在剩余拉应力，通常到达钢材的屈服点焊缝部位存在剩余拉应力，通常到达钢材的屈服点fy fy ，该处是产生和开，该处是产生和开展疲劳裂纹最敏感的区域。展疲劳裂纹最敏感的区域。 maxyf最大：最大：maxminyyff 最小：最小：yyff真实应力比：真实应力比：fyfyfyfyfyfy剩余应力的分布剩余应力的分布焊缝附近真实应力比的大小取决于应力幅焊缝附近真

7、实应力比的大小取决于应力幅DsDs的大小的大小 第十章第十章 疲劳计算和吊车梁设计疲劳计算和吊车梁设计同济大学 建筑工程系 沈德洪应力幅应力幅与应力循环次数与应力循环次数n n疲劳寿命的关疲劳寿命的关系系0 NX105 1n1 2n2 bfy123456S S S S0lgn lg.b1b1lgClglgn 11 1应力幅值越低，应力循环次数就应力幅值越低，应力循环次数就越多，疲劳寿命也越高。越多，疲劳寿命也越高。2 2当应力幅值减小到一定程度时，当应力幅值减小到一定程度时，应力循环次数趋向无穷大。应力循环次数趋向无穷大。 允许应力幅允许应力幅 的定的定义义 1(2.5.4)CN 第十章第十章

8、 疲劳计算和吊车梁设计疲劳计算和吊车梁设计同济大学 建筑工程系 沈德洪 2 2思索到实验的离散性，取平均值减去两倍思索到实验的离散性，取平均值减去两倍lgnlgn的规范差的规范差2s2s作为疲劳强度的下作为疲劳强度的下限值，图中蓝色虚线所示。该虚线上的应力幅定义为对应于某疲劳寿命的允许应力幅。限值，图中蓝色虚线所示。该虚线上的应力幅定义为对应于某疲劳寿命的允许应力幅。3 3假设假设lgnlgn符合正态分布，那么构件或符合正态分布，那么构件或衔接的疲劳强度的保证率为衔接的疲劳强度的保证率为97.797.7。 4 4允许应力幅的表达式允许应力幅的表达式DsDs可经过可经过两个类似三角形求出。那么得

9、到允许应两个类似三角形求出。那么得到允许应力幅的表达式为：力幅的表达式为： S S S S0lgn lg.b1b1lgClglgn 11(2.5.4)CN 5 5式中：系数式中：系数、C C根据根据? ?钢构造设计规范钢构造设计规范- -疲劳计算的构件和衔疲劳计算的构件和衔接分类接分类? ?查表查表2.5.12.5.1得到。分类见教材得到。分类见教材P407P407附录附录7 76 6允许应力幅与钢材的强度无关，这阐明不同种类的钢材具有一样的抗疲劳性允许应力幅与钢材的强度无关，这阐明不同种类的钢材具有一样的抗疲劳性能。能。1 1应力幅循环次数红色实线所示关系曲线为实验回归曲线，反响了平均应力幅

10、循环次数红色实线所示关系曲线为实验回归曲线，反响了平均值之间的关系。值之间的关系。 第十章第十章 疲劳计算和吊车梁设计疲劳计算和吊车梁设计同济大学 建筑工程系 沈德洪3. 3. 常幅疲劳验算常幅疲劳验算 疲劳允许应力幅疲劳允许应力幅 与应力循环次数与应力循环次数n n的关系曲线的关系曲线11 4 3 (N/mm2)(N/mm2)对数尺对数尺n对数尺对数尺规范将不同构造和受力特点的钢构件和衔接，按其疲劳性能的上下归规范将不同构造和受力特点的钢构件和衔接，按其疲劳性能的上下归并划分为并划分为8 8个疲劳计算类别，并对每个类别规定了相应的参数取值。个疲劳计算类别，并对每个类别规定了相应的参数取值。

11、第十章第十章 疲劳计算和吊车梁设计疲劳计算和吊车梁设计同济大学 建筑工程系 沈德洪表表10.5.110.5.1参数和参数和b b的取值的取值构件和连构件和连接类别接类别123456781940101286110123.2610122.1810121.4710120.9610120.6510120.411012 44333333 国内外实验证明，除了个别在疲劳计算中不起控制造用类别国内外实验证明，除了个别在疲劳计算中不起控制造用类别的疲劳强度有随钢材的强度提高而稍有添加外，大多数焊接衔的疲劳强度有随钢材的强度提高而稍有添加外，大多数焊接衔接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响，这一点，经过表达式接类

12、别的疲劳强度不受钢材强度的影响，这一点，经过表达式10.5.410.5.4也能阐明。也能阐明。 第十章第十章 疲劳计算和吊车梁设计疲劳计算和吊车梁设计同济大学 建筑工程系 沈德洪 疲劳计算采用允许应力幅法，按弹性形状计算应力进展计算。疲劳计算采用允许应力幅法，按弹性形状计算应力进展计算。计算只适用于无高温计算只适用于无高温t150、无严重腐蚀环境中的高周低应、无严重腐蚀环境中的高周低应变的疲劳计算应力循环次数变的疲劳计算应力循环次数n5104。常幅疲劳的计算公式常幅疲劳的计算公式10.5.7规范荷载下的设计应力幅；规范荷载下的设计应力幅；对于焊接部位的设计应力幅对于焊接部位的设计应力幅: =

13、max- min ； 对于非焊接部位的折算应力幅：对于非焊接部位的折算应力幅：= max- 0.7 min max每次应力循环中，计算部位的最大拉应力取正值每次应力循环中，计算部位的最大拉应力取正值 min每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力拉应拉应 力取正值，压应力取负值；力取正值，压应力取负值； 常幅疲劳的允许应力幅常幅疲劳的允许应力幅 第十章第十章 疲劳计算和吊车梁设计疲劳计算和吊车梁设计同济大学 建筑工程系 沈德洪10.5.3 10.5.3 变幅疲劳变幅疲劳当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳。当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅

14、疲劳。2变幅荷载变幅荷载可将变幅疲劳折算为等效的可将变幅疲劳折算为等效的常幅疲劳，然后按常幅疲劳常幅疲劳，然后按常幅疲劳检算式检算。检算式检算。ee等效常幅疲劳应力幅。等效常幅疲劳应力幅。 常幅疲劳的允许应力幅。常幅疲劳的允许应力幅。 情形一可以测得运用期内应力变幅规律情形一可以测得运用期内应力变幅规律tn1ie(10.5.8)(10.5.8)a a检算公式检算公式 第十章第十章 疲劳计算和吊车梁设计疲劳计算和吊车梁设计同济大学 建筑工程系 沈德洪 第十章第十章 疲劳计算和吊车梁设计疲劳计算和吊车梁设计同济大学 建筑工程系 沈德洪b) b) 计算计算e 假设能预测构造在运用寿命期间各种荷载的应

15、力幅以及次数假设能预测构造在运用寿命期间各种荷载的应力幅以及次数分布所构成的设计应力谱，那么根据累积损伤原理可将变幅疲劳分布所构成的设计应力谱，那么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e按下式进展疲劳计算：按下式进展疲劳计算：1iiienn(10.5.13)(10.5.13)ni ni 以应力循环次数表示的构造预期运用寿命；以应力循环次数表示的构造预期运用寿命； ni ni 预期寿命内应力幅程度到达预期寿命内应力幅程度到达i i的应力循环次数的应力循环次数 第十章第十章 疲劳计算和吊车梁设计疲劳

16、计算和吊车梁设计同济大学 建筑工程系 沈德洪 情形二情形二不能测得运用期内应力变幅规律不能测得运用期内应力变幅规律 设计重级任务制吊车的吊车梁和重级、中级任务制吊车桁架时，设计重级任务制吊车的吊车梁和重级、中级任务制吊车桁架时，应力幅是按满载得出的，实践上经常发生不同程度欠载情况。假设应力幅是按满载得出的，实践上经常发生不同程度欠载情况。假设没有对实践应力幅的统计资料，即属本情形。运用欠载效应系数，没有对实践应力幅的统计资料，即属本情形。运用欠载效应系数，按常幅疲劳进展计算。按常幅疲劳进展计算。 计算公式计算公式6102nf10.5.1510.5.15f 欠载效应的等效系数欠载效应的等效系数e

17、f6102n循环次数为循环次数为n=2106次的允许应力幅。次的允许应力幅。 第十章第十章 疲劳计算和吊车梁设计疲劳计算和吊车梁设计同济大学 建筑工程系 沈德洪1.00.80.5重级任务制硬钩吊车重级任务制硬钩吊车 重级任务制软钩吊车梁重级任务制软钩吊车梁中级任务制吊车中级任务制吊车 f吊车梁类别吊车梁类别表表10-2 10-2 吊车梁或吊车桁架欠载效应系数吊车梁或吊车桁架欠载效应系数59697890103118144176N/mm2n=210687654321衔接方式类别衔接方式类别表表2-3 n=22-3 n=2106106的允许应力幅值的允许应力幅值 第十章第十章 疲劳计算和吊车梁设计疲

18、劳计算和吊车梁设计同济大学 建筑工程系 沈德洪疲劳破坏中一些值得留意的问题疲劳破坏中一些值得留意的问题1 1疲劳验算采用的是允许应力设计法，而不是以概率论为根底的疲劳验算采用的是允许应力设计法，而不是以概率论为根底的设计方法。这主要是由于焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂，设计方法。这主要是由于焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂，目前还没有较好实验或数值方法对其进展以概率论为根底的研讨。目前还没有较好实验或数值方法对其进展以概率论为根底的研讨。采用荷载规范值计算。采用荷载规范值计算。2 2对于只需压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，对于只需压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，那么不会发生疲劳