高等桥梁设计理论钢桥疲劳

高等桥梁设计理论钢桥疲劳设计理论

同济大学桥梁工程系1.基本概念

疲劳破坏定义：

疲劳破坏是材料在低于强度极限的反复荷载作用下，由于缺陷局部微细裂纹的形成和发展直到最后发生脆性断裂的一种破坏。疲劳破坏必要条件：

存在拉应力；应力反复；产生塑性变形。疲劳和脆性断裂破坏的区别:都为脆性断裂，但疲劳裂纹出现到断裂有相当一段稳定发展期;承受着反复荷载;

断口呈波纹状。影响结构疲劳的主要因素；循环次数，应力强度大小，结构构造细节等。2.抗疲劳设计原理2.1常幅交变应力下疲劳检算原理－应力比准则：

适用于常幅交变应力作用下的构件的疲劳检算。分析方法：根据应力比系数：利用试件（一般是小试件）进行疲劳试验，在N=200万次循环荷载作用下，确定疲劳破坏强度由于应力比是变化的，这时可利用古德曼图来确定不同应力比下的。2.抗疲劳设计原理Goodman图2.抗疲劳设计原理

构件最大拉应力；应力循环特征系数；、以绝对值定义；疲劳强度，时，材料疲劳强度；

K疲劳强度曲线斜率。应力比准则疲劳检算存在问题结构实际承受不等幅循环应力；焊接结构存在残余应力；小试件与足尺的疲劳强度存在差异；计算的循环应力与实际循环应力的差别。2.抗疲劳设计原理2.抗疲劳设计原理交变应力图2.抗疲劳设计原理

应力比疲劳检算原则适应范围：常幅应力作用下的铆接、栓接结构。在焊接结构中，由于焊接残余应力的存在，采用应力幅准则检算疲劳比较符合实际情况。2.2应力幅疲劳检算准则:

构件最大拉应力；

构件最小应力。

对于焊接结构，由于存在焊接残余应力，宜采用应力幅检算疲劳强度原因为：2.抗疲劳设计原理2.3交变应力幅疲劳强度检算原则：

——应力幅作用次数；

——相应应力幅作用下疲劳破坏次数；

D——损伤度，当时，未产生疲劳破坏；当时，产生疲劳破坏。2.抗疲劳设计原理2.4S—N

曲线

在不同应力幅（或不同的最大应力）的常幅应力进行疲劳试验，测出试件断裂时对应的疲劳寿命N，得到关系式：以（或）为纵坐标，为横坐标做出者对应关系的曲线（接近直线），称为S—N曲线。2.抗疲劳设计原理S—N

曲线图2.抗疲劳设计原理S—N

曲线的数学表达式：

N——疲劳循环次数；

1/m——S—N曲线的斜率；

lgC——S—N曲线的横坐标的截距；

1/m，lgC跟材料有关常数2.抗疲劳设计原理等效应力幅的概念（把几种变幅等效成等幅，并且具有相同的损伤度和相同的循环加载次数）

假定几种变幅应力作用下结构疲劳损伤度为：

其等效应力幅作用下，疲劳破坏次数N0

以等损伤度原则令:Db=D02.抗疲劳设计原理2.5疲劳极限的概念

定义：一般情况下，交变应力值越高，疲劳破坏时应力循环次数越低，疲劳寿命越短。疲劳寿命无穷大时的最大交变应力值称为疲劳极限，小于该交变应力区段的荷载也不会造成疲劳破坏，即所谓门坎值问题。3.荷载谱与应力谱3.1荷载谱定义：

设计基准期内构件所经历实际运营荷载按其大小及出现次数全部罗列即为荷载谱，也称活载频值谱(与静力设计荷载不同）。 主要处理方法：计算方法；（计算每一类车通过，结构内力变化历程，然后将所有历程累加，要考虑设计荷载和实际荷载的差别的处理）

实际调查测试；（实际荷载）典型列车或典型车辆。（以此代表复杂的变化车辆，有了典型列车或典型车辆，只要考虑出现的次数了）3.荷载谱与应力谱应力谱定义由荷载谱产生构件的应力(考虑冲击作用等）就叫做应力谱。根据荷载谱计算产生应力历程，计算时须考虑动力的作用，即冲击系数的发大作用和校验系数等；也可以从实测得到应力历程然后根据应力历程，不同应力幅大小及次数的集合，即应力谱。3.荷载谱与应力谱3.2应力历程计算 如何统计应力历程中各应力幅的次数的两种方法。雨流法 应力历程转动90度，假想雨水沿应力历程流动，由此统计各应力幅的数量，具体方法如下 （1）从谷点开始流动的雨水到达峰点时竖直下滴，流到下层屋面并继续往下流，当流到某一层层面遇见一个来源于比本次谷点更低的谷点的雨水，则停止流动。同理，从峰点开始流动的雨水到达谷点时竖直下滴，流到下一层面并继续往下流，当流到某一层面遇见一个来源于比本次峰点更高的峰点的雨水，则停止流动。 （2）任何情况下，在某一层层面流动的雨水遇见上一层面屋面流下的雨水，则停止流动。 （3）每次雨流的起点和终点作为半个应力循环。3.荷载谱与应力谱雨流法图3.荷载谱与应力谱

泄水法统计应力历程个应力幅次数的计算原则 （1）镜像同样的应力历程图，对称于与竖坐标轴平行的对称轴，将两个最大峰值点5和用水平虚线相连，把该虚线以下部分图形看作一个水池的横断面。 （2）选择最低的谷点泄水。如果有两个或更多相等的最低谷点，则可以选择任何一个谷点泄水，以水面到该谷点的泄水深度作为一次循环的应力幅。 （3）对泄不出去的剩余水，重复第二步，直到水池的水全部泄完为止，并将每次泄水深度作为一次循环的应力幅。3.荷载谱与应力谱泄水法图4.钢桥疲劳设计方法4.1基本要求：预测整个设计寿命期间完整的荷载序列-荷载谱；计算荷载下结构应力状态；绘制各类细部构造的疲劳曲线；根据疲劳检算原则进行疲劳设计。4.钢桥疲劳设计方法4.2抗疲劳设计的一般方法1.无限寿命设计，疲劳不控制寿命2.安全寿命设计，保守设计（有限寿命设计法）3.损伤容限设计（构件可更换设计）4.依据试验设计（疲劳强度不明确，受载历程不确切）5.正交异性钢桥面板的疲劳问题5.1正交异性钢桥面板上构造正交异性钢桥面板的典型疲劳裂缝A:顶板的裂缝B:纵向加劲肋与横隔板焊缝的裂缝C:下过焊孔处横隔板的裂缝D:纵向加劲肋与桥面板连接焊缝的裂缝E:纵向加劲肋的连接焊缝的裂缝F:腹板加劲肋与顶板焊缝处的裂缝G:上过焊孔处纵向加劲肋的裂缝构件断裂

DFEAEBC5.2正交异性钢桥面板常见的疲劳裂纹（桥面板纵向裂纹）纵肋焊趾处纵肋纵向裂纹。纵肋连接处裂纹纵肋与横梁角焊缝连接处裂纹5.正交异性钢桥面板的疲劳问题5.2正交异性钢桥面板受力特征循环次数多，一个轮重就会引起一次应力循环；

动力作用剧烈，动力放大系数比主梁大得多；

应力集中现象比较严重；

第二、三体系应力所占比例较大，而第一体系应

力较小。5.正交异性钢桥面板的疲劳问题5.3正交异性钢桥面疲劳设计

桥面板厚度；(板厚12mm，现改为