钢结构疲劳分析

应力循环特征值

环境：接触疲劳、高温疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳

疲劳试验

对于不同的应力可以到不同的循环次数。

的疲劳强度明显高于带槽试件。

带槽试件的应力集中使疲劳强度降低。

应力集中是研究疲劳问题的重要因素

有横向对接焊缝的试件的疲劳强度随焊缝的余高角度的变化。角度愈小，应力集中愈严重，疲劳强度愈低。

构造细节是设计承受疲劳荷载的重要因素

角焊缝连接试件在不同应力循环特征值作用下应力循环次数。随着应力特征值的增大疲劳强度增大，但这对于轧制钢材和非焊接结构而言的，对于焊接结构则直接与应力幅相关。

的纵坐标是在N=N1时，交变循环荷载作用下的的纵坐标是N=N1时，R=0时的疲劳强度

的纵坐标是N=N1时，R=0.5的疲劳强度

的纵坐标是N=N1时，R=1 的疲劳强度

而当N2

钢结构疲劳问题

对焊接结构而言，构造细节主要表现在零件之间的连接方式和焊缝的形式，在同样的应力幅作用下，结构没有焊缝的部位，疲劳破坏前的循环次数高于对接焊缝的部位，对接焊缝部位高于角焊缝的部位（虚线）

钢结构疲劳问题

的方法：

减小初始裂纹尺寸a1。因为在裂纹尺寸很小时，扩展速率da/dN很低；

降低构件所承受的应力和采用韧性较好的材料。减低应力幅要求增大构件截面，从而提高造价。采用高韧性材料和加强施工质量控制也都要提高造价。

高周疲劳：在疲劳破坏之前具有应力大，应变小的特点 低周疲劳：在疲劳破损之前具有应力小，应变大的特点

显然在腐蚀介质中的疲劳试验寿命降低的最大，因此在海水腐蚀作用下的结构其疲劳设计不同于一般结构，也已经成为一门

常见的钢结构计算公式

2-5 钢结构计算 2-5-1 钢结构计算用表 为保证承重结构的承载能力和防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、荷载特征、结构形式、应力状态、连接方法、钢材厚度和工作环境等因素综合考虑，选用合适的钢材牌号和材性。 承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应分别符合现行国家标准《碳素结构钢》GB/T 700和《低合金高强度结构钢》GB/T 1591的规定。当采用其他牌号的钢材时，尚应符合相应有关标准的规定和要求。对Q235钢宜选用镇静钢或半镇静钢。 承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。 焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。 对于需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度等于或低于0℃但高于-20℃时，Q235钢和Q345钢应具有0℃C冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有-20℃冲击韧性的合格保证。当结构工作温度等于或低于-20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有-20℃冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有-40℃冲击韧性的合格保证。 对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证，当结构工作温度等于或低于-20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有-20℃冲击韧性的合格保证。 当焊接承重结构为防止钢材的层状撕裂而采用Z向钢时，其材质应符合现行国家标准《厚度方向性能钢板》GB/T 5313的规定。 钢材的强度设计值（材料强度的标准值除以抗力分项系数），应根据钢材厚度或直径按表2-77采用。钢铸件的强度设计值应按表2-78采用。连接的强度设计值应按表2-79至表2-81采用。

焊接对钢结构疲劳的影响及预防措施

焊接对钢结构疲劳的影响及预防措施 自从20世纪初涂药焊条发明至今100年来，焊接已经成为应用最广泛的工艺方法，很难找出另一种发展如此之快，并在应用规模和多样化方面能与焊接相比的工艺，以至于当代许多最重要的技术问题必须采用焊接才能解决，例如造船、铁路、汽车、航空、航天、桥梁、锅炉、大型厂房和高层建筑等都离不开焊接技术的支持。目前在工程生产上，焊接是最主要的连接方法，焊接结构的重量已占钢铁总产量的50%以上，工业发达国家的这一比例已经接近70%。然而焊接结构经常发生断裂事故，其中80%为疲劳失效。在我国，焊接结构因疲劳问题而失效的工程事例也不断出现。例如，90年代末，高速客车转向架中焊接接头的疲劳断裂，以及水轮机叶片根部的疲劳断裂等，都给国家和企业造成了巨大的经济损失。 所谓疲劳是指在循环应力和应变作用下，在一处和几处产生局部永久性积累损伤，经一定的循环次数后产生的裂纹或突然发生断裂的过程。疲劳断裂是金属结构断裂的主要形式之一。大量的统计资料表明，工程结构失效约80%以上是由疲劳引起的。钢结构的疲劳破损是裂纹在重复或交变荷载作用下的不断开展以及最后达到临界尺寸而出现的断裂。疲劳破坏的主要影响因素是应力幅、循环次数和应力集中。一般地说，疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。对于钢结构.实际上只有后两个阶段，因为结构总会有内在的微小缺陷，这些缺陷本身就起着裂纹的作用疲劳破坏的起始点多数在构件的表面。对非焊接构件，表面上的刻痕、轧钢皮

的凹凸、轧钢缺陷和分层以及焰割边不平整，冲孔壁上的裂纹，都是裂源可能出现的地方。对焊接构件，最经常的裂源出现在焊缝趾处，那里常有焊渣侵入。有些焊接构件疲劳破坏起源于焊缝内部缺陷，如气孔、欠焊、夹渣等。 一、影响焊接疲劳强度的主要因素 1．应力集中对疲劳强度的影响 影响焊接结构几何不连续性的因素，都将影响应力集中和疲劳强度。 (1)焊接结构的几何形状结构上几何不连续的部位都会产生不同程度的应力集中。结构的截而变化幅度越大，产生的应力集中越大，结构的疲芳强度越低。 (2)焊接接头形式在接头部位由于传力线受到干扰，因而发生应力集中现象。对接接头的力线干扰较小，因而应力集中系数较小，其疲劳强度也将高于其他接头形式。十字接头或T形接头在焊接结构中得到了广泛的应用。这种承力接头中由于在焊缝向基本金属过渡处具有明显的截而变化，其应力集中系数要比对接接头的应力集中系数高，因此十字或丁形接头的疲劳强度要低于对接接头。提高丁形或十字接头疲劳强度的根本措施是开坡口焊接，并加工焊缝使之圆滑过渡，通过这种改进措施.疲劳强度可有较大幅度的提高。 (3)焊缝局部几何形状的影响焊缝局部几何形状的变化，对焊接结构的疲劳强度将产生十分明显的影响。在一定范围内，余高越大，应力集中系数越大，缺口效应越大，疲劳强度降低。很多人错误的认

钢结构事故中的疲劳破坏及腐蚀破坏

钢结构事故中的疲劳破坏及腐蚀破坏 摘要：本文分析了铜结构疲劳破坏及腐蚀破坏的原因，近而提出了提高和改善铜结构构件疲劳及腐蚀的措施， 关键词:钢结构；疲劳；腐蚀；破坏 引言 钢结构相较于混凝土结构具有质量轻、塑性韧性好、易于采用工业化生产等优点，近年来在工民建，铁路，桥梁等结构中被大量采用。然而钢结构在受到交变荷载的作用下极易产生脆性破坏，特别在承受行车动荷载的桥梁结构中此问题更为明显，在一定程度上阻碍了钢结构的发展。鉴于此，本文在分析疲劳破坏及腐蚀破坏原因的基础上重点介绍工程设计预防疲劳破坏及腐蚀破坏的措施，以此来避免此问题的产生。 一，钢结构疲劳破坏 钢结构的疲劳破坏是裂纹在重复或交变荷载作用下的不断开裂以及最后达到临界尺寸而出现的断裂。此类破坏属脆性破坏。由于在破坏发生前几乎观察不到构件的塑性发展过程。没有破坏的征兆，然而一旦破坏后果严重，所以工程设计的任何一个领域无一例外的都要避免。疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。对于钢结构，实际上只有后两个阶段，因为在钢材生产和结构制造等过程中，不可避免地在结构的某些部位存在着局部微小缺陷，如钢材化学成分的偏析、非金属杂质；非焊接构件表面上的刻痕、轧钢皮的凹凸、轧钢缺陷和分层以及制造时的冲孔、剪边、火焰切割带来的毛边和裂纹在静荷载下，具有初始裂纹的构件当应力水平达到临界应力时才会出现失稳扩展，导致破坏。而承受交变荷载的构件经历裂纹的缓慢扩展过程最终达到破坏时，破坏应力还远小于静荷载作用时的临界应力。 钢结构疲劳分析时，习惯上当循环次数N<105时称为低周疲劳：N>105时称为高周疲劳。如果钢结构构件的实际循环应力特征和实际循环次数超过设计时所采取的参数，就可能发生疲劳破坏。此外影响钢结构疲劳破坏的原因还有：结构构件中有较大应力集中区域：所用钢材的抗疲劳性能差：钢结构构件加工制作时有缺陷其中裂纹缺陷对钢材疲劳强度的影响比较大：钢材的冷热加工、焊接工艺所产生的残余应力和残余变形对钢材疲劳强度也会产生较大影响。 二，抗疲劳的措施 出疲劳性能的影响因素来看，应力幅及循环次数是客观存在的事实，因此，提高和改善疲劳性能的途径只有从减小应力集中人手。具体措施如下： 1选材 对用于动载作用的钢结构或构件，应严格控制钢材的缺陷，并选择优质钢材。 2设计措施 (I)力求减少截面突变，避免焊缝集中，使钢结构构造做法合理化。 (2)要避免多条焊缝相互交汇而导致高额残余拉应力的情形。尤其是三条在空间相互垂直的焊缝交于一点，造成三轴拉应力的不利状况。对于加劲肋应与受拉翼缘不焊接，且保持一段距离。对于连接横向支撑处的横向加劲肋，可以把横向加劲肋和受拉翼缘顶紧不焊，且将加劲肋切角，保持腹板与加劲肋50～lOOr砌不焊。 三，钢结构腐蚀破坏 普通钢材的抗腐蚀能力比较差，这一直是工程上关注的重要问题。腐蚀使钢结构杆件净截面面积减损，降低结构承载力和可靠度，腐蚀形成的“锈坑”使钢结构脆性破坏的可能性增大，尤其是抗冷脆性能下降。一般来说钢结构下列部位容易发生锈蚀：经常干湿交替又未包混凝

不同钢结构疲劳强度分析

不同钢结构疲劳强度分析 发表时间：2017-08-31T10:20:36.993Z 来源：《电力设备》2017年第12期作者：孙晓丽赵娜马连凤李晓莉刘谆 [导读] 摘要：随着生产和加工工艺的不断提高，高强度钢材钢结构已经开始在各种电器柜中得到应用，并取得了良好的效益。由于在材料力学性能 （中车永济电机有限公司） 摘要：随着生产和加工工艺的不断提高，高强度钢材钢结构已经开始在各种电器柜中得到应用，并取得了良好的效益。由于在材料力学性能、加工工艺、初始缺陷影响等方面的差别，高强度结构钢材构件的整体稳定性能与普通强度钢材有明显不同。 关键词：疲劳强度；屈服极限；疲劳寿命 1 、概述 钢材的生产工艺与构件的加工工艺是推动钢结构发展的重要因素，钢材力学性能的提高，能够提升钢结构构件的受力性能、安全性能以及钢结构整体的使用功能；同时，实际应用的不断创新也会促进钢结构的发展，这就对钢材的力学性能提出了新的要求，特别是要求结构材料应具有更高的强度。在这一背景之下，采用新的生产冶金工艺开发出了新型高强度结构钢材，先进的加工工艺特别是焊接技术以及与高强度钢材相匹配的焊接材料也陆续出现，高强度结构钢材具备了应用于实际电器柜的基本条件。本文的研究对象主要针对强度等级在420MPa 及以上的新型高强度结构钢材中厚板材（即板厚<40mm）构件。 2、疲劳的定义及特征 疲劳破坏是指材料或结构在循环交变应力或者循环交变应变的作用下,由于某点或某些点所在的部位发生局部永久性结构变化,在经历一定的循环次数后形成裂纹并最后发生断裂的现象,即在交变载荷重复作用下材料或者结构的结构破坏现象。经过人们长期的经验积累和对疲劳破坏事故的认真考察,疲劳破坏的显著特征己初步为人们所掌握,这些特征使疲劳破坏与传统的静力破坏、腐蚀破坏以及其他破坏形式相区别,给人们对事故的分析带来方便。具体的特征包括:长期性、非屈服性、难以预测性、局部性、影响因素多样性、端口形貌特殊性。 疲劳破坏的过程大致就可以描述为以下的“恶性循环阶段”: 应力集中一一争疲劳裂纹出现一一争裂纹尖端新的应力集中一一卜裂纹扩展一一卜构件发生 断裂。 3、影响结构疲劳强度的因素 构件在某一循环载荷下工作时,构件应力值的大小为一般用S来表示。当构件的应力水平S低于某一个应力限度值的时候,如果构件可以在该应力水平作用下承受无限次循环而不发生疲劳破坏,则该应力限度值为材料或者构件的“疲劳极限”。疲劳失效之前机械零部件所经历的应力或者应变循环次数称为“疲劳寿命”,一般用N表示,前面所提到的“韦勒曲线”或者“疲劳曲线”是表示应力幅Sa或者最大应力Sma、与疲劳寿命N之间关系的一种表达方式。一般我们从标准或者书上所查到的一些材料的疲劳极限和S一N曲线,只能代表标准光滑试样的疲劳性能,称之为“中值S一曲线”。但实际零部件的尺寸、形状和表面情况等是多样的,与标准试件存在一定程度上的差别,所以实际构件的疲劳强度、疲劳寿命与标准试样之间也存在一定的差距。 影响结构疲劳强度的因素主要有:形状,尺寸,表面状况,平均应力,腐蚀介质和温度等等,本节主要介绍与本论文相关的因素即形状、尺寸、表面加工方法对材料疲劳强度的影响。 4、理论计算 在钢结构梁的设计中要让力有很好的传导闭合性，就要充分的发挥每个梁的支撑作用。对4mm和6mm钢板的截面模量计算如下： 对安装梁截面模量计算如下： 4mm钢板 6mm钢板 4mm内部加6mm钢板 通过计算4mm钢板对于x-x抗弯截面模量Wx=4.0612cm3 6mm钢板对于x-x的抗弯截面模量Wx=5.8505cm3 4mm内部增加两块6mm钢板后对于x-x的抗弯截面模量Wx=4.0612+1.681*2=7.4232cm3 根据最大弯曲正应力的计算公式：σmax=M/WX 可见，最大弯曲正应力与弯矩成M正比，与抗弯截面模量Wx成反比，当M不变时，Wx越大，所受的最大弯曲正应力越小，根据以上3种情况可以看出，第3种的抗弯截面模量Wx为7.4232cm3，较第1种增加了将近1倍。 5、实验分析 运用计算机分析软件ANSYS分别对4mm钢板折弯，6mm钢板折弯，4mm钢板折弯内侧加焊6mm钢板， 5mmQ235A槽钢进行了最大

高等钢结构--疲劳与断裂

《高等钢结构原理》断裂与疲劳部分 学生作业 系（所）：建筑工程系 学号：1432055 姓名：焦联洪 培养层次：专业硕士 2014年11月6日

1、防止焊接钢结构脆性断裂的基本措施 影响钢材脆断的直接因素有裂纹尺寸、作用应力和材料韧性。提高钢材脆性断裂的基本措施有： ①保证施工质量、加强质量检验和施焊工艺管理，避免施焊过程中产生的咬边、裂纹、夹杂和气泡等。 ②焊缝不宜过分集中，施焊时不宜过强约束，避免产生过大残余应力，同时应注意焊缝过于集中和避免截面突然变化。特别是低温下作用的静力荷载发生的脆断，常与残余应力有关。 ③进行合理细部构件设计，避免应力集中。应力集中处会产生同号应力场，使钢材变脆。尽量避免采用厚钢板，厚钢板比薄钢板较易脆断，对钢材的韧性也有降低。 ④选择合理的钢材，钢材化学成分与钢材抗脆断能力有关，含碳量高的钢材，抗脆断能力有所下降，同时控制钢材中硫和磷的含量，硫使钢材热断，磷使钢材冷断，对于在低温下作用的钢结构，应选择抗低温冲击韧性好的材料。 ⑤加载速率越高，钢材的脆断转变温度提高，对于同一韧性的材料，设计动力荷载时允许最低的使用温度比静力荷载高的多，所以根据钢材不同的工作加载速率应选择不同韧性的钢材。 ⑥设计结构时选择优良的结构形式，有助于减少断裂的不良后果。 2、解释应力幅是评价焊接钢结构疲劳强度的一个指标 对于非焊接结构，通常用应力循环特征（应力比）min max /σσρ=来评价钢结构的疲劳强度。但是对于焊接钢结构疲劳强度起控制作用的是应力幅σ?，而几乎与最大应力max σ、最小应力min σ及应力比这些参量无关。这是因为：焊接及 其随后的冷却，构成不均匀热循环过程，使焊接结构内部产生自相平衡的残余应力，在焊接附近出现局部的残余拉应力高峰，横截面其余部分则形成残余压应力与之平衡。焊接残余拉应力最高峰值往往可达到钢材的屈服强度，名义上的应力循环特征（应力比）min max /σσρ=并不代表疲劳裂缝出现的应力状态。并且焊接连接部位因为截面的改变原状，总会产生不同程度的应力集中现象。残余应力和应力集中两个因素的同时存在，使疲劳裂纹发生于焊接熔合线的表面缺陷处或焊

钢结构样卷全部答案(精品文档)

三、填空 1.钢材 2.脆性破坏 3.塑性破坏 4.脆性破坏 5.力学性能 6.抗拉强度 7.屈服点 8.韧性 9.冷弯性能 10.疲劳强度 11.概率极限状态 12.铆钉 13.高强度螺栓连接 14.粗制螺栓 15.角焊缝 16.斜缝 17.部分焊透 18.斜角角焊缝 19.残余变形 20.施工要求 21.受剪螺栓 22.受拉螺栓 23.钢梁 24.组合梁 25.热轧型钢梁 26.临界荷载 27.局部稳定 28.经济条件 29.建筑高度 30.拼接 31.工厂拼接 32.工地拼接 33.刚接 34.滚轴支座 35.桁架 36.高度 37.弯矩 38.轴心力 39.节点板 40.构件详图 41.结构布置图 42.结构布置图 43.构件详图

44.施工导流闸门 45.弧形闸门 46.液压式 47.螺杆式 48.卷扬式 49.水头的大小 50.闸门的尺寸 四、简答题 1. 钢材在复杂应力作用下是否仅产生脆性破坏？为什么？ 答：钢材在复杂应力作用下不仅仅发生脆性破坏。因为当材料处于三向同号应力场时，它们的绝对值又相差不大时，根据第四强度理论，即使σ1、σ2、σ3的绝对值很大，甚至远远超过屈服点，材料也不易进入塑性状态。因而，材料处于同号应力场中容易产生脆性破坏。反之，当其中有异号应力，且同号的两个应力相差又较大时，即使最大的一个应力尚未达到屈服点f y时，材料就已进入塑性工作状态，这说明材料处于异号应力状态时，容易发生塑性破坏。 2.残余应力对压杆的稳定性有何影响？ 答：由于残余应力的存在，在轴心压力Ｎ的作用下，残余应力与截面上的平均应力Ｎ/Ａ叠加，将使截面的某些部位提前屈服并发展塑性变形。因此，轴心受压杆达临界状态时，截面由屈服区和弹性区两部分组成，只有弹性区才能承担继续增加的压力。这时截面的抗弯刚度降低，由理论分析知，残余应力对构件稳定的不利影响对弱轴要比对强轴严重的多。 3. 钢桁架与梁相比，桁架具有哪些优点？为什么它适合于大跨度？ 答：钢桁架与梁相比是用稀疏的腹杆代替整体的腹板，并且杆件主要承受轴心力，应力沿截面分布均匀，能充分利用材料，从而能节省钢材减少自重，所以钢桁架特别适用于跨度或高度较大的结构。同时钢还可以按使用要求制成不同的

钢结构的脆性断裂和疲劳

第8章 钢结构的脆性断裂和疲劳 8.1 钢结构脆性断裂及其防止 8.1.1 脆性断裂破坏 脆性破坏: 结构的最终破坏是由于其构件的脆性断裂导致的。 特点：无塑性发展或很小，断裂时伸长量极其微小，没有破坏的预兆。 脆性破坏分类 ①过载断裂:由于过载,强度不足而导致的断裂。 特点：破坏速度快，主要是钢丝束、钢绞线和钢丝绳等。 ②非过载断裂:塑性很好的钢构件在缺陷、低温等因素影响下突然呈脆性断裂 ③应力腐蚀断裂:在腐蚀性环境中承受静力或准静力荷载作用的结构,在远低于屈服极限的应力状态下发生的断裂，强度越高则对应力腐蚀断裂越敏感。 ④疲劳断裂与腐蚀疲劳断裂:在交变荷载作用下,裂纹的失稳扩展导致的断裂，高周：循环周数在105以上者，低周：只有几百或几十次, 环境介质导致或加速疲劳裂纹的萌生和扩展称为腐蚀疲劳。 ⑤ 氢脆断裂: 氢使材料韧性降低而导致的断裂 钢结构的非过载脆性破坏P302 8.1.2脆性断裂的防止 构件不出现非过载脆性断裂的条件IC I K K ≤=σπα（含义见书） 为了防止脆性断裂,需要从三个方面着手： 1.钢材选择（保证足够韧性IC K ） 材料韧性指标：冲击韧性。 碳素钢：夏比V 形缺口冲击功不低于27J ； 低合金高强度结构钢：夏比V 形缺口冲击功不低于34J ； 公路钢桥和吊车梁在翼缘板厚度不超过4Omm ，按所处最低温度加40℃级别要求； 公路钢桥和吊车梁在翼缘板厚度超过 4Omm, 降低最低温度； 低温地区避免用厚度大的钢板，必须用厚板时,应提高对冲击韧性的要求或进行全厚度韧性试验。 2.初始裂纹：减小初始裂纹，避免形成裂缝间隙，保证焊缝质量,限制和避免焊接缺陷，焊缝表面不得有裂纹； 3.应力：缓和应力集中，减小应力值，避免受到约束而产生高额残余应力 4.结构形式与构造细节：超静定结构优于静定结构：由于地基不均匀沉陷会导致严重不利的内力重分布。静定结构采用多路径传递荷载优于单路径传递荷载。单个构件：多路径组织要优于单路径组织 焊接受弯构件的受拉翼缘，当弯矩很大,需要选取较厚的翼缘时,从抗断裂的

钢结构焊缝疲劳强度分析技术的最新进展_周张义

第30卷,第4期 中国铁道科学Vo l 30No 4 2009年7月 CH INA RAILWAY SCIEN CE July,2009 文章编号:1001-4632(2009)04-0069-07 钢结构焊缝疲劳强度分析技术的最新进展 周张义,李 芾,安 琪,黄运华,卜继玲 (西南交通大学机车车辆工程系,四川成都 610031) 摘 要:在平板焊接钢结构焊缝疲劳强度分析中,近年来国外主要发展起了等效结构应力法和表面外推热点应力法2种新方法。等效结构应力法考虑焊趾部位的结构应力集中效应,应用改进线性化法或节点力法分析结构应力,确保计算结果对有限单元类型、网格形状及尺寸的不敏感,从而有效区分不同焊接接头类型的焊趾结构应力集中情形;以结构应力为控制参数计算应力强度因子,在主要考虑焊趾缺口、结构板厚、载荷模式等因素影响基础上,基于断裂力学分析确定与焊缝疲劳寿命直接相关的应力参数,导出等效结构应力转化方程;基于上述应力计算和转化方法对焊缝疲劳试验结果数据进行处理,建立焊缝疲劳强度设计单一主S N 曲线,实现对钢结构焊缝的疲劳强度评定和寿命预测。通过比较分析可知,表面外推热点应力法适用于钢结构焊缝设计阶段的方案比较及方案优化;等效结构应力法较适合对钢结构焊缝最终设计方案进行更为精确的焊缝疲劳强度评定和寿命预测以及不能用表面外推热点应力法进行钢结构焊缝疲劳强度分析时。 关键词:等效结构应力;网格不敏感;有限元法;焊趾;疲劳分析;表面外推 中图分类号:T G457 11 文献标识码:A 收稿日期:2008-10-27;修订日期:2009-02-26 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50821063) 作者简介:周张义(1982 ),男,山西霍州人,博士研究生。 对于平板焊接钢结构的疲劳设计,按照传统的焊接细节分类法需要严格确定特定接头几何形状和载荷模式下的名义应力及相应疲劳抗力数据[1-4],故很大程度上影响了焊接细节分类法在工程中的应用。为了完善或替代焊接细节分类法,针对广泛存在的结构焊趾疲劳,新发展的2种适合于有限元技术的表面外推热点应力法和等效结构应力法,通过将焊趾结构应力集中考虑在应力分析之中,一方面可适应有限元强大的应力分析技术,另一方面避免了对疲劳设计S N 曲线的选择。表面外推热点应力法在国内相关行业的应用研究已得到普遍关注 [5-7] 。而等效结构应力法虽然在2007版ASME 锅炉及压力容器标准[8] 、以及API/ASME 合于使用性评定标准[9]中均推荐将其应用于焊缝疲劳分析,但至今国内尚未有技术文献详细介绍。有鉴于此,本文在阐述、分析等效结构应力法的基础上将它与表面外推热点应力法进行对比,研究分析2种方法各自存在的优势和局限性,以及在实际工程的结构疲劳设计中的合理应用方式。 1 等效结构应力法剖析 等效结构应力法是1种新型焊接结构疲劳寿命预测技术 [10-13] ,可广泛应用于不同工业领域的各类 形式焊接承载部件的焊趾疲劳分析,如压力容器、 管道、海上平台、船舶、地面车辆等结构的管件及平板焊接接头[14-18]。该方法主要基于以下2项关键技术: 考虑焊趾部位的结构应力集中效应,应用改进线性化法或节点力法分析其结构应力(即热点应力),确保计算结果对有限单元类型、网格形状及尺寸均不敏感,从而有效区分不同接头类型的焊趾结构应力集中情形; 以结构应力为控制参数计算应力强度因子,在主要考虑焊趾缺口、结构板厚、载荷模式等因素影响的基础上,基于断裂力学分析确定与疲劳寿命直接相关的应力参数,导出等效结构应力转化方程。进而将其应用于处理疲劳试验结果数据,构建出单一通用的疲劳设计主S N 曲线,从而基于等效结构应力并结合该主S N 曲线进行焊接结构的疲劳强度评定及寿命预测。

浅谈钢结构桥梁的疲劳问题

浅谈钢结构桥梁的疲劳问题 摘要：随着钢结构桥梁的疲劳问题的日趋突出，其疲劳设计问题也越来越得到重视。在桥梁设计中，保证桥梁的安全性和耐久性是最根本的要求。文中对目前应用广泛的钢结构桥梁的疲劳问题进行了探讨。 关键词：桥梁疲劳设计问题对策 前言 近年来，钢结构桥梁在我国公路桥梁中得到了越来越多的应用。一方面，钢结构桥梁的疲劳问题日趋突出；另一方面，我国公路钢桥规范与英、美等国钢桥规范相比，在疲劳设计方面规定比较简单。因此，在以我国桥梁疲劳设计经验为基础的同时，应参考一些国外规范，总结出适合我国交通行业的疲劳设计的有效方法。 一、钢结构桥梁的疲劳 30年来，我国的公路桥梁及铁路桥梁建设得到了迅猛发展。桥梁的结构体系多种多样，目前正在由传统的石拱桥、钢筋混凝土梁板式桥梁向现代的钢结构拱桥、斜拉桥以及悬索桥的趋势发展。由于车辆载荷的随机性、超载以及运行的频繁性，钢结构桥梁的疲劳问题历年来备受关注。和承载力和稳定性一样，疲劳是影响钢结构耐久性的主要因素之一。由于构造细节不合理，在重复重载交通、风或是地震等交变荷载的作用下，钢结构由此产生疲劳裂纹，疲劳裂纹不断开裂，直至影响钢桥的使用，甚至断裂破坏。为了避免钢结构桥梁发生疲劳破坏，必须在设计阶段就对疲劳问题进行细致的考虑。 二、钢结构桥梁疲劳特征的影响因素 影响钢结构桥梁疲劳的因素有很多，归纳起来主要有以下3 种： 1、结构的材料特性 与疲劳有关的结构的材料特性主要有：钢材的性能、构件尺寸、结构的表面状况。需要注意的是结构的疲劳性能随钢材强度的提高仅有微弱增加的趋势，所以由疲劳强度所控制的构件，采用强度较高的钢材是不经济的。一般说来，构件的尺寸增加时疲劳强度降低。疲劳裂缝源通常萌生于结构的表面，这主要是因为结构外表面的应力水平往往也最高，外表面的缺陷往往也最多和表面层材料的约束小，使得滑移带最易开动。 2、结构构造 结构构造主要包括桥梁的结构形式、构件的连接形式和构造细节。结构的制造和焊接工艺以及焊后处理工艺都对结构的初始应力分布和固有缺陷有较大的

钢结构的特点与疲劳

钢结构的特点与疲劳

————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：

第一章绪论 钢结构是用钢板、型钢，通过焊缝、螺栓等方式连接而成的结构。 主要内容有材料、连接、基本构件和结构设计。 钢结构与钢筋混凝土结构、木结构和砌体结构都是工程结构的不同分支，它们之间有许多共性。例如，在结构体系、内力分析和设计程序等方面基本相同。但由于材料性质不同，因而钢结构在构件的截面形式、构件的计算方法、连接方法及构造处理方面与其它结构有很大的差别。钢结构内在的特性是由其原材料及构件的加工过程决定的，学习钢结构要注意它的特点。 §1.1我国钢结构的发展概况 我国是最早应用钢结构的国家，但是历史的原因致使现代建筑钢结构的应用及发展与发达国家相比，已有相当大的差距，最大的差距在于建筑钢结构。 钢结构是由生铁结构逐步发展起来的，中国是最早用铁制造承重结构的国家。远在秦始皇时代（公元前二百多年），就有了用铁建造的桥墩。以后在深山峡谷上建造铁链悬桥如四川大渡河桥，我国古代还建造了许多纪念性建筑，如山东济宁市的铁塔寺铁塔，镇江的甘露寺铁塔等，这些表明我国古代建筑和冶金技术方面的高度水平。 中国古代在金属结构方面虽有卓越的成就，但由于受到内部的束缚和外部的侵略，相当一段时间内发展较为缓慢。即使这样，我国工程师和工人仍有不少优秀设计和创造，如1927年建成的沈阳黄姑屯机车厂钢结构厂房； 1928～1931年建成的广州中心纪念堂圆屋顶； 1934～1937年建成的杭州钱塘江大桥等。 19世纪后半期开始发展起来的结构力学理论、扎制钢材的普及使“铁结构设计”发展 成了“钢结构设计”。 20世纪50年代后，钢结构的设计、制造、安装水平有了很大提高，建成了大量钢结构工程，有些在规模上和技术上已达到世界先进水平。如采用大跨度网架结构的首都体育馆（平面为矩形）、上海体育馆（平面为圆形）、深圳体育馆，大跨度三角拱形式的西安秦始皇陵兵马俑陈列馆，悬索结构的北京工人体育馆、浙江体育馆，高耸结构中的200m高广州广播电视塔、210m高上海广播电视塔、194m高南京跨江线路塔、325m高北京气象桅杆等，板壳结构中有效容积达54000m3的湿式储气柜等。 近期，随着钢结构设计理论、制造、安装等方面技术的迅猛发展，各地建成了大量的高层钢结构建筑、轻钢结构、高耸结构、市政设施等。如：位于上海浦东、420.5m高、88层、总建筑面积达28.7万m2的金贸大厦；总建筑面积达20万m2的上海浦东国际机场；主体建筑东西跨度288.4m、南北跨度274.7m、建筑高度70.6m、可容纳8万名观众的上海体育场；336m高、建于哈尔滨的黑龙江广播电视塔以及横跨黄浦江的南浦大桥、杨浦大桥等等。 96年我国钢产量已开始超亿吨，居世界首位，为钢结构发展奠定物质基础，对钢材的使用已由“节约使用”变为“合理用钢”、“加大建筑用钢”。 97年新发布的《中国建筑技术政策》中强调要重点发展建筑钢结构，国家相关部门也多次发布文件，要求扩大钢结构住宅的市场占有率。 当今我国建筑业中发展最快的就是钢结构，最缺的人才也是钢结构专业，发展钢结构以带动其它相关产业的发展，已成为建筑业发展的重要任务。

钢结构设计原理题库及答案(2)

1．下列情况中，属于正常使用极限状态的情况是 【 D 】 A 强度破坏 B 丧失稳定 C 连接破坏 D 动荷载作用下过大的振动 2．钢材作为设计依据的强度指标是 【 C 】 A 比例极限f p B 弹性极限f e C 屈服强度f y D 极限强度f u 3．需要进行疲劳计算条件是：直接承受动力荷载重复作用的应力循环次数n 大于或等于 【 A 】 A5×104 B2×104 C5×105 D5×106 4．焊接部位的应力幅计算公式为 【 B 】 A max min 0.7σσσ?=- B max min σσσ?=- C max min 0.7σσσ?=- D max min σσσ?=+ 5．应力循环特征值（应力比）ρ=σmin /σmax 将影响钢材的疲劳强度。在其它条件完全相同 情况下，下列疲劳强度最低的是 【 A 】 A 对称循环ρ=-1 B 应力循环特征值ρ=+1 C 脉冲循环ρ=0 D 以压为主的应力循环 6．与侧焊缝相比，端焊缝的 【 B 】 A 疲劳强度更高 B 静力强度更高 C 塑性更好 D 韧性更好 7．钢材的屈强比是指 【 C 】 A 比例极限与极限强度的比值 B 弹性极限与极限强度的比值 C 屈服强度与极限强度的比值 D 极限强度与比例极限的比值. 8．钢材因反复荷载作用而发生的破坏称为 【 B 】 A 塑性破坏 B 疲劳破坏 C 脆性断裂 D 反复破坏. 9．规范规定：侧焊缝的计算长度不超过60 h f ，这是因为侧焊缝过长 【 C 】 A 不经济 B 弧坑处应力集中相互影响大 C 计算结果不可靠 D 不便于施工 10．下列施焊方位中，操作最困难、焊缝质量最不容易保证的施焊方位是 【 D 】 A 平焊 B 立焊 C 横焊 D 仰焊 11．有一由两不等肢角钢短肢连接组成的T 形截面轴心受力构件，与节点板焊接连接，则肢 背、肢尖内力分配系数1k 、2k 为 【 A 】 A 25.0,75.021==k k B 30.0,70.021==k k C 35.0,65.021==k k D 35.0,75.021==k k 12．轴心受力构件用侧焊缝连接，侧焊缝有效截面上的剪应力沿焊缝长度方向的分布是 【 A 】 A.两头大中间小 B. 两头小中间大 C.均匀分布 D.直线分布 .

疲劳分析.

疲劳分析方法 疲劳问题的研究可追溯到19世纪初，经过近二百年探索，目前已经取得了很大的发展。工程上，对疲劳设计主要采用四种方法，即名义应力法、局部应力应变法、损伤容限设计、疲劳可靠性设计。 （1）名义应力法（Miner线性累计损伤理论） 名义应力法又称常规疲劳设计法或影响系数法，用名义应力法来估算构件或结构的寿命的前提是：材料和构件、结构是理想连续体，且承受的载荷不大，断面的应力值小于材料的屈服极限，应力应变成线性关系，应力循环作用下的寿命较小。因此，用该方法进行寿命估算的依据是应力谱、材料的抗力指标P—S—N 曲线和累积损伤理论。 （2）局部应力应变法 零件的疲劳破坏都是从应变集中部位的最大局部应变处开始，并且在裂纹萌生以前，都要产生一定的塑性变形。局部应力应变法以缺口根部的局部应力—应变历程为依据，再结合材料相应的疲劳特性曲线进行寿命估算。该方法的合理性主要表现为考虑了金属的塑性应变和由此而引起的残余应力对疲劳性能的影响。它所指的寿命就是缺口边上出现可见裂纹的寿命。 （3）损伤容限设计 损伤容限设计是一项复杂的系统工程，它以断裂力学特别是线弹性断裂力学理论为基础，以保证结构安全为目标，以无损检测技术、断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率的测定技术为手段，以有初始缺陷或裂纹的零件的剩余寿命估算为中心，以断裂控制为保证，目的是确保结构在给定使用寿命期内，不致因未发现的初始缺陷的扩展造成严重事故。 （4）疲劳可靠性设计 疲劳可靠性设计即概率疲劳设计，它是根据构件工作应力和疲劳强度分布曲线，应用概率设计理论，在给定可靠性指标下，进行构件的可靠性设计。疲劳可靠性设计不但需要知道构件的应力和疲劳强度的平均值，而且还要知道构件的应力和疲劳强度分布。 综上所述，名义应力法和局部应力应变法都是以材料内部没有缺陷和裂纹为

焊接钢结构的疲劳强度

焊接钢结构的疲劳强度 在钢铁材料的研究中，人们总是希望材料具有较高的比强度，即以较轻的自身重量去承担较大的负载重量，因为相同重量的结构可以具有极大的承载能力；或是同样的承载能力可以减轻自身的重量。所以高强钢应运而生，也具有较高的疲劳强度，基本金属的疲劳强度总是随着静载强度的增加而提高。但是对于焊接结构来说，情况就不一样了，因为焊接接头的疲劳强度与母材静强度、焊缝金属静强度、热影响区的组织性能以及焊缝金属强度匹配没有多大的关系，这个规律适合对接接头、角接接头和焊接梁等各种接头型式。材料的力学性能对裂纹扩展速率有一定影响，但影响并不大。在设计承受交变载荷的焊接结构时，试图通过选用较高强度的钢种来满足工程需要是没有意义的。 造成上述结果的原因是由于在接头焊趾部位沿溶合线存在有类似咬边的熔渣楔块缺陷。该尖锐缺陷是疲劳裂纹开始的地方，相当于疲劳裂纹形成阶段，因而接头在一定应力幅值下的疲劳寿命，主要由疲劳裂纹的扩展阶段决定。这些缺陷的出现使得所有钢材的相同类型焊接接头具有同样的疲劳强度，而与母材及焊接材料的静强度关系不大。 1、接头类型的影响 焊接接头的形式主要有：对接接头、十字接头、T形接头和搭接接头，在接头部位由于传力线受到干扰，因而发生应力集中现象。 对接接头的力线干扰较小，因而应力集中系数较小，其疲劳强度也将高于其他接头形式。但实验表明，对接接头的疲劳强度在很大范围内变化，这是因为有一系列因素影响对接接头的疲劳性能的缘故。如试样的尺寸、坡口形式、焊接方法、焊条类型、焊接位置、焊缝形状、焊后的焊缝加工、焊后的热处理等均会对其发生影响。具有永久型垫板的对接接头由于垫板处形成严重的应力集中，降低了接头的疲劳强度。这种接头的疲劳裂纹均从焊缝和垫板的接合处产生，而并不是在焊趾处产生，其疲劳强度—般与不带垫板的最不佳外形的对接接头的疲劳强度相等。

关于钢结构桥梁抗疲劳设计的分析

关于钢结构桥梁抗疲劳设计的分析 近年来，我国的桥梁越来越多的应用了钢结构，但是钢结构桥梁出现疲劳问题也随之增多。因为钢结构桥梁在使用过程中受到疲劳荷载的长期影响，而且在疲劳荷载产生的微裂缝会因时间的变迁而扩大，因此桥梁设计人员应该加深对钢结构承载力的认识，车流量较大，环境侵蚀，车辆超载等因素均会导致桥梁发生坍塌事故，因此有关部门予以高度的重视。 标签：钢结构；桥梁；抗疲劳；设计 在钢结构桥梁中出现的疲劳问题，对桥梁结构的耐久性造成一定程度的负面影响，疲劳主要有两种，即多轴疲劳与单轴疲劳等等。而疲劳是影响桥梁结构耐久性的关键因素，设计不合理等诸多原因容易使钢结构发生疲劳性裂纹，加之行车载荷的作用，裂纹会发展成为裂缝，不利于钢结构桥梁的正常使用。从实践得知，疲劳设计工作的优劣直接影响到钢结构桥梁的使用年限和安全性能。 1 钢结构桥梁疲劳性能产生影响的因素 1.1 钢结构材料的特点 钢结构材料本身的特点给钢结构桥梁的疲劳性能造成一定的影响，钢结构桥梁材料性质与桥梁钢构件的大小会对钢结构桥梁的疲劳产生影响。当钢结构材料的表面出现细微裂纹时，钢结构桥梁自身的疲劳性因裂纹变大不断增加；当钢结构的桥梁强度有所增加时，直接导致钢结构的疲劳性能会有所增加，实际上不是因钢结构强度高就代表材料质量越好。由于在钢结构桥梁钢材表面上会出现疲劳裂纹，这主要是钢结构表面存在较高的应力。 1.2 钢结构的内部因素 钢结构内部的因素可以影响到钢结构桥梁的疲劳设计，可以让钢结构桥梁自身的疲劳形象发生一定的变化，刚结构的影响因素主要包含桥梁的构件连接形式，构造细节等内容。钢结构桥梁的设计形式、钢结构桥梁的制造技术和焊接技术工作都会影响到钢结构应力的分布状态。 1.3 钢结构桥梁的外部因素 钢结构的桥梁产生影响的因素除上述两种因素以外，还有外部影响，这种影响直至钢结构的桥梁产生疲劳，外部影响主要包括昼夜温差，自然环境，强冻强高温天气等，还有外界给钢结构的桥梁施加压力，过往行车在行驶中出现的共振。焊接构件自身的应力的幅值和疲劳强度之间有着一定的关系，非焊接性构件的疲劳强度和应力的幅值有关联。 2 桥梁结构抗疲劳的设计计算方法

金属结构在两种规范中疲劳强度计算方法的比较.

金属结构在两种规范中疲劳强度计算方法的比较 作者：不详阅读：93 次时间：2005-2-28 摘要简要地将金属结构在两种规范中疲劳强度计算方法的异同点进行比较。 关键词疲劳强度计算方法比较 金属结构在《GB3811-83起重机设计规范》与《GBJ17-88钢结构设计规范》中疲劳强度计算方法有较大的区别，现比较如下： 1、控制疲劳寿命因素的比较 GB3811-83提出，结构在循环交变应力作用下，疲劳强度取决于结构的工作级别、材料种类、连接构造型式、结构件的最大应力以及循环特性等。 GBJ17-88中提出，对焊接结构，控制疲劳寿命最重要的因素是连接构造型式和应力幅，而与循环特性没什么重要关系。 2、疲劳强度计算方法的比较 2.1常幅疲劳 GB3811-83疲劳强度设计准则：需要验算处的最大应力σmax应小于或等于疲劳许用应力〔σ〕，即σmax≤〔σ〕。 GBJ17-88疲劳强度设计准则：需要验算处的应力幅△σ小于或等于常幅疲劳容许应力幅〔△σ〕，即△σ≤〔△σ〕。 2.2变幅疲劳 两种规范对变幅疲劳的计算，都是根据线性累积损伤理论进行等效变换，但是又存在不同之处： GB3811-83中，变幅疲劳计算是按应力状态和应力循环等级将结构划分为八个工作级别，即Ａ1～Ａ8，根据线性累积损伤理论求出各个级别下的疲劳许用应力〔σ-1〕，然后把变幅疲劳按工作级别进行计算，即σmax≤〔σ－１〕，〔σ-1〕为对应工作级别下的基本疲劳许用应力。 GBJ17-88采用方法是从能预测结构在使用寿命期间的设计变幅应力谱，按各应力幅水平出现的频率，根据线性累积损伤理论，求出应力幅为常量的等效应力幅，然后按常幅疲劳计算，计算公式为△σe≤〔△σ〕，式中△σe为常幅疲劳的等效应力幅，σe＝〔∑ni(△σi)β ／∑ni〕１／β确定。

钢结构计算26个要点

钢结构计算26个要点 1、工作平台上的检修荷载应注意对主梁（0.85）和柱（0.75）的折减； 2、钢结构强度的取值,强度的修正,以及对于轴心受拉和轴心受压的构件应取较厚构件的强度；尤其注意对接焊缝无垫板时的修正和单面连接的单角钢强度（在格构式构件中验算缀条以及在屋架桁架验算腹杆采用单角钢时） 3、变形和稳定、抗剪强度计算,采用毛截面；抗弯、抗拉、抗压强度计算采用净截面； 4、预先起拱量的计算：注意改善外观和使用条件与改善外观条件两种方式的区别； 5、在梁的抗弯强度计算时,塑性截面发展系数应注意翼缘自由外伸宽度与厚度的比值应控制在一定范围内；H型钢的表示方法（总高*翼缘总宽*腹板厚度*翼缘厚度）,型钢表示方法,数字为型钢的高度. 6、折算应力的计算点应取梁的腹板计算高度边缘处；对于局部受压计算,集中荷载作用点处如有加劲肋,局部压应力可不验算.故该处的折算应力局部压应力可取0. 7、梁的计算：强度、整体稳定、局部稳定（腹板、加劲肋的计算（横向、纵向、短向,腹板计算点的选取））；（内力、通用高厚比、临界应力） 8、组合梁腹板考虑屈曲后强度的计算,梁按全截面有效确定的截面抵抗矩即最大惯性矩；

9、轴心受压强度计算应注意高强螺栓摩擦型连接的计算（同时应注意净截面的影响）；轴心受压稳定计算应注意单轴对称截面应采用换算长细比以及对应的计算高度（支撑设置的影响）； 局部稳定（翼缘和腹板的计算）,对于腹板局部稳定计算不符,可通过增设纵向加劲肋或采取有效腹板截面（仅考虑翼缘与腹板连接部分20tw,即考虑腹板屈曲后的强度）进行计算构件的强度和整体稳定,而稳定系数仍采用全部截面；同时注意受压构件与受弯构件稳定系数计算不同,对于受压稳定系数主要由截面形式和长细比控制（注意板厚对截面类别的判定影响）,受弯构件稳定系数应注意简化计算公式及相应的修正. 10、格构式构件的轴心受压计算,对实轴计算时与实腹式类似,而对虚轴须采用换算长细比；缀条、缀板的计算（轴心受压、线刚度以及连接焊缝的计算）,注意分肢的长细比计算（分肢计算长度应注意缀板与分肢的连接方式是焊缝还是螺栓的影响）和构件绕虚轴的计算；同时注意缀板有线刚度要求,即同一截面上的缀板线刚度要大于分肢线刚度的6倍； 11、用填板连接而成的双角钢或双槽钢构件,可按实腹式构件进行计算,但填板间的距离应满足要求（受压40i,两个侧向支撑点间填板间数不得少于2个；受拉80i；i为分肢回转半径）； 12、轴心受压构件支撑构件的轴力计算（支撑点位置,单根柱或多根柱、支撑道数）；