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16 2、疲勞計(jì)算16 2.1,本條在原規(guī)范第6，2,1條的基礎(chǔ)上.增補(bǔ)了許多內(nèi)容和說(shuō)明 并將原規(guī)范第6,2，1條一分為二、形成第16 2 1條、第16,2,2條兩條.當(dāng)結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力幅較低時(shí)?？刹捎檬?。16 2、1、1 和式。16 2 1，4?？焖衮?yàn)算疲勞強(qiáng)度。國(guó)際上的試驗(yàn)研究表明,無(wú)論是常幅疲勞還是變幅疲勞,低于疲勞截止限的應(yīng)力幅一般不會(huì)導(dǎo)致疲勞破壞、本次修訂參考?xì)W洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范EC3。Design。of,steel、structures。Part1。9 Fatigue，增加了少量針對(duì)構(gòu)造細(xì)節(jié)受剪應(yīng)力幅的疲勞強(qiáng)度計(jì)算，同時(shí)針對(duì)正應(yīng)力幅的疲勞問(wèn)題,引入板厚修正系數(shù)γt來(lái)考慮壁厚效應(yīng)對(duì)橫向受力焊縫疲勞強(qiáng)度的影響、國(guó)內(nèi)外大量的疲勞試驗(yàn)采用的試件鋼板厚度一般都小于25mm、對(duì)于板厚大于25mm的構(gòu)件和連接,主要是橫向角焊縫和對(duì)接焊縫等橫向傳力焊縫 試驗(yàn)和理論分析表明.由于板厚引起的焊趾位置的應(yīng)力集中或應(yīng)力梯度變化.疲勞強(qiáng)度隨著板厚的增加有一定程度的降低 因此需要對(duì)容許應(yīng)力幅針對(duì)具體的板厚進(jìn)行修正.板厚修正系數(shù)γt的計(jì)算公式、16、2。1。7。參考了國(guó)際上鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范 如日本標(biāo)準(zhǔn)JSSC,歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范EC3?？紤]到非焊接與焊接構(gòu)件以及連接的不同,即前者一般不存在很高的殘余應(yīng)力.其疲勞壽命不僅與應(yīng)力幅有關(guān)、也與名義最大應(yīng)力有關(guān)。因此為了疲勞強(qiáng)度計(jì)算統(tǒng)一采用應(yīng)力幅的形式.對(duì)非焊接構(gòu)件以及連接引入折算應(yīng)力幅,以考慮σmax的影響，折算應(yīng)力幅的表達(dá)方式為,式中、k.系數(shù).按。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、TJ。17。74規(guī)定 對(duì)主體金屬，3號(hào)鋼取k.0,5,16Mn鋼取k。0,6。對(duì)角焊縫 3號(hào)鋼取k。0.8。16Mn鋼取k。0.85 δp0 應(yīng)力比ρ。ρ、σmin,σmax,0時(shí)疲勞容許拉應(yīng)力，其值與、σ,相當(dāng).在、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，TJ,17,74中,σp0 考慮了欠載效應(yīng)系數(shù)1.15和動(dòng)力系數(shù)1 1，故其值較高，但本條僅考慮常幅疲勞，應(yīng)取消欠載效應(yīng)系數(shù)、且.σ 是試驗(yàn)值 已包含動(dòng)載效應(yīng),所以亦不考慮動(dòng)力系數(shù),因此。σ 的取值相當(dāng)于 σp0 1、15,1，1 0.79，σp0.另外88版規(guī)范以高強(qiáng)螺栓摩擦型連接和帶孔試件為代表、將試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。取k 0,7，因此,σ。σmax.0,7σmin 原規(guī)范之前的修訂工作。針對(duì)常幅疲勞容許應(yīng)力幅做了兩方面的工作 一是收集和匯總各種構(gòu)件和連接形式的疲勞試驗(yàn)資料、二是以幾種主要的形式為出發(fā)點(diǎn)、把眾多的構(gòu)件和連接形式歸納分類(lèi)、每種具體連接以其所屬類(lèi)別給出S N疲勞曲線和相關(guān)參數(shù)。為進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析工作,匯集了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有資料，個(gè)別連接形式。如T形對(duì)接焊接等、適當(dāng)參考了國(guó)外資料 根據(jù)不同鋼號(hào),不同尺寸的同一連接形式的所有試驗(yàn)資料,匯總后按應(yīng)力幅計(jì)算式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、以95,置信度取2.106次疲勞應(yīng)力幅下限值,也就是疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)線性回歸值，平均值.減去2倍標(biāo)準(zhǔn)差。按各種連接形式疲勞強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，非焊接連接形式考慮了最大應(yīng)力.應(yīng)力比 實(shí)際存在的影響,以構(gòu)件母材。高強(qiáng)度螺栓連接，帶孔。翼緣焊縫，橫向加勁肋，橫向角焊縫連接和節(jié)點(diǎn)板連接等幾種主要形式為出發(fā)點(diǎn)、適當(dāng)照顧S。N曲線族的等間距設(shè)置 把連接方式和受力特點(diǎn)相似,疲勞強(qiáng)度相近的形式歸成同一類(lèi),最后確定構(gòu)件和連接分類(lèi)有8種 分類(lèi)后。需要確定S。N曲線斜率值 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果。絕大多數(shù)焊接連接的斜率在。3、0。3,5之間 部分介于、2,5 3。0之間。構(gòu)件母材和非焊接連接則按斜率小于.4,為簡(jiǎn)化計(jì)算取用3和4兩種斜率。而在N，2、106次疲勞強(qiáng)度取值略予調(diào)整 以免在低循環(huán)次數(shù)出現(xiàn)疲勞強(qiáng)度過(guò)高的現(xiàn)象，S、N曲線確定后.可據(jù)此求出任何循環(huán)次數(shù)下的容許應(yīng)力幅，即疲勞強(qiáng)度，近20多年來(lái) 世界上一些先進(jìn)國(guó)家在鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能和設(shè)計(jì)方面開(kāi)展了大量基礎(chǔ)性的試驗(yàn)研究工作.取得了許多成果 發(fā)展了鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)水平.提出了許多構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)，而我國(guó)這方面所做的基礎(chǔ)性工作十分有限 鑒于此現(xiàn)狀,本次標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí),對(duì)國(guó)際上各國(guó)的研究狀況和成果進(jìn)行了廣泛的調(diào)研和對(duì)比分析 在保持原規(guī)范疲勞設(shè)計(jì)已有特點(diǎn)的基礎(chǔ)上 借鑒和吸收了歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范EC3鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)的概念和做法，增加了許多新的內(nèi)容,使我國(guó)可進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算的構(gòu)造細(xì)節(jié)更加豐富。具體如下，1，將原來(lái)8個(gè)類(lèi)別的S,N曲線增加到，針對(duì)正應(yīng)力幅疲勞計(jì)算的,有14個(gè)類(lèi)別，為Z1。Z14.見(jiàn)正文表16 2。1 1.針對(duì)剪應(yīng)力幅疲勞計(jì)算的,有3個(gè)類(lèi)別.為J1，J3。詳見(jiàn)正文表16.2，1.2.2、原來(lái)的類(lèi)別1和2保持不變。即為現(xiàn)在的類(lèi)別Z1和Z2,原來(lái)的類(lèi)別3。4.5，6、7 8分別放入到最接近現(xiàn)在的類(lèi)別Z4 Z5，Z6。Z7。Z8,Z10中,在N,2。106時(shí)的新老容許應(yīng)力幅的差別均在5、以?xún)?nèi) 在工程上可以接受、原來(lái)針對(duì)角焊縫疲勞計(jì)算的類(lèi)別8。放入到現(xiàn)在的類(lèi)別J1。3 國(guó)際上研究表明,對(duì)變幅疲勞問(wèn)題，低應(yīng)力幅在高周循環(huán)階段的疲勞損傷程度有所較低,且存在一個(gè)不會(huì)疲勞損傷的截止限,為此，針對(duì)正應(yīng)力幅疲勞強(qiáng)度計(jì)算的S，N曲線、在N 5。106次之前的斜率為βZ，在N、5.106，1,108次之間的斜率為βZ。2 見(jiàn)圖46 但是.針對(duì)剪應(yīng)力幅疲勞強(qiáng)度計(jì)算的S.N曲線。斜率保持仍不變、為βJ，見(jiàn)圖47,無(wú)論是正應(yīng)力幅還是剪應(yīng)力幅.均取N.1 108次時(shí)的應(yīng)力幅為疲勞截止限，4,在保持原規(guī)范19個(gè)項(xiàng)次的構(gòu)造細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上，新增加了23個(gè)細(xì)節(jié).構(gòu)成共計(jì)38個(gè)項(xiàng)次、并按照非焊接?？v向傳力焊縫。橫向傳力焊縫、非傳力焊縫,鋼管截面、剪應(yīng)力作用等情況將構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行歸類(lèi)重新編排。同時(shí)構(gòu)造細(xì)節(jié)的圖例表示得更清楚，見(jiàn)附錄表K,1。K。6,表22以200萬(wàn)次的疲勞強(qiáng)度為例,給出了原有構(gòu)造細(xì)節(jié)在修訂前后的比較、并指明了新增加的構(gòu)造細(xì)節(jié)，歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范EC3構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度確定的方法與我國(guó)是一致的，即依據(jù)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性回歸值.平均值 減去2倍標(biāo)準(zhǔn)差 表22、各構(gòu)造細(xì)節(jié)200萬(wàn)次的類(lèi)別及其疲勞強(qiáng)度 針對(duì)附錄K,1.K 6。正應(yīng)力幅及剪應(yīng)力幅的疲勞強(qiáng)度S.N曲線見(jiàn)圖46。圖47，圖46.關(guān)于正應(yīng)力幅的疲勞強(qiáng)度S，N曲線16,2.2，對(duì)不滿足第16、2、1條中式，16。2.1 1.正應(yīng)力幅疲勞、式，16，2，1 4、剪應(yīng)力幅疲勞，的常幅疲勞問(wèn)題。應(yīng)按照結(jié)構(gòu)預(yù)期使用壽命,采用式,16，2，2。1.式.16.2、2，5.進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算.原規(guī)范第6，2、1條對(duì)常幅疲勞的計(jì)算 無(wú)論正應(yīng)力幅大小如何.將S。N曲線的斜率βZ保持不變、并且一直往下延伸.本次標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)，本條文正應(yīng)力幅的常幅疲勞計(jì)算為了與第16,2,3條的變幅疲勞計(jì)算相協(xié)調(diào)和合理銜接,對(duì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n在5 106之內(nèi)的容許正應(yīng)力幅計(jì)算 S，N曲線的斜率采用βZ,對(duì)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n在5.106與1、108之間的容許正應(yīng)力幅計(jì)算。S N曲線的斜率采用βZ.2。同時(shí),對(duì)正應(yīng)力幅和剪應(yīng)力幅的常幅疲勞計(jì)算，都在應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n，1,108處分別設(shè)置疲勞截止限.σL。和、τL,16。2、3、本條為原規(guī)范第6,2，2條和第6,2 3條的綜合補(bǔ)充說(shuō)圖47，關(guān)于剪應(yīng)力幅的疲勞強(qiáng)度S N曲線明,對(duì)不滿足本標(biāo)準(zhǔn)第16。2,1條中式 16,2,1 1，正應(yīng)力幅疲勞，式 16.2,1 4，剪應(yīng)力幅疲勞.的變幅疲勞問(wèn)題,提供了按照結(jié)構(gòu)預(yù)期使用壽命的等效常幅疲勞強(qiáng)度的計(jì)算方法。實(shí)際結(jié)構(gòu)中重復(fù)作用的荷載，一般并不是固定值，若能根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際的應(yīng)力狀況.應(yīng)力的測(cè)定資料.并按雨流法或泄水法等計(jì)數(shù)方法進(jìn)行應(yīng)力幅的頻次統(tǒng)計(jì).預(yù)測(cè)或估算得到結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)力譜.則可按本條將變幅疲勞轉(zhuǎn)換為應(yīng)力循環(huán)200萬(wàn)次常幅疲勞計(jì)算 假設(shè)設(shè)計(jì)應(yīng)力譜包括應(yīng)力幅水平，σ1 σ2，σi。及對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)n1 n2.ni。然后按目前國(guó)際上通用的Miner線性累計(jì)損傷定律進(jìn)行計(jì)算,其原理如下,計(jì)算部位在某應(yīng)力幅水平 σi作用有ni次循環(huán),由S、N曲線計(jì)算得.σi對(duì)應(yīng)的疲勞壽命為Ni，則,σi應(yīng)力幅所占損傷率為ni。Ni，對(duì)設(shè)計(jì)應(yīng)力譜內(nèi)所有應(yīng)力幅均做類(lèi)似的損傷計(jì)算、則得,從工程應(yīng)用的角度，粗略地可認(rèn)為當(dāng)。ni Ni。1時(shí)發(fā)生疲勞破壞。計(jì)算疲勞累計(jì)損傷時(shí)還應(yīng)涉及S。N曲線斜率的變化和截止應(yīng)力問(wèn)題 國(guó)際上的研究表明。對(duì)變幅疲勞問(wèn)題、常幅疲勞所謂的疲勞極限并不適用.隨著疲勞裂紋的擴(kuò)展 一些低于疲勞極限的低應(yīng)力幅將成為裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力幅而加速疲勞累積損傷。低應(yīng)力幅比高應(yīng)力幅的疲勞損傷作用要弱.并且也不是任何小的低應(yīng)力幅都有疲勞損傷作用、小到一定程度就沒(méi)有損傷作用了,原規(guī)范采用最簡(jiǎn)單的損傷處理方式.即保持S。N曲線的斜率不變、認(rèn)為高應(yīng)力幅與低應(yīng)力幅具有相同的損傷效應(yīng).且無(wú)論多少小的應(yīng)力幅始終存在損傷作用，這是過(guò)于保守的做法 并不切合實(shí)際.為此，本次標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí),采用歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范EC3國(guó)際上認(rèn)可的做法,即采用本標(biāo)準(zhǔn)第16，2 1條文說(shuō)明中3的方法來(lái)處理低應(yīng)力幅的損傷作用.按照?qǐng)D46與圖47及以上Miner損傷定律 可將變幅疲勞問(wèn)題換算成應(yīng)力循環(huán)200萬(wàn)次的等效常幅疲勞進(jìn)行計(jì)算。以變幅疲勞的等效正應(yīng)力幅為例,圖47,推導(dǎo)過(guò)程如下、設(shè)有一變幅疲勞，其應(yīng)力譜由。σi、ni，和.σj,nj,兩部分組成,總應(yīng)力循環(huán)。ni.nj次后發(fā)生疲勞破壞.則按照S。N曲線的方程.分別對(duì)每i級(jí)的應(yīng)力幅.σi 頻次ni和j級(jí)的應(yīng)力幅，σj、頻次nj有 式中.CZ C。Z。斜率βZ和βZ、2的S N曲線參數(shù) 由于斜率βZ與βZ。2的兩條S N曲線在N，5，106處交匯，則滿足下式，16.2、4.本條為原規(guī)范第6,2，3條的補(bǔ)充說(shuō)明，本條提出適用于重級(jí)工作制吊車(chē)梁和重級(jí),中級(jí)工作制吊車(chē)桁架的簡(jiǎn)化的疲勞計(jì)算公式.16.2.4，1、式 16 2、4.2 88版規(guī)范在修訂時(shí) 為掌握吊車(chē)梁的實(shí)際應(yīng)力情況。實(shí)測(cè)了20世紀(jì)70年代一些有代表性的車(chē)間吊車(chē)梁,根據(jù)吊車(chē)梁應(yīng)力測(cè)定資料，按雨流法進(jìn)行應(yīng)力幅頻次統(tǒng)計(jì).得到幾種主要車(chē)間吊車(chē)梁的設(shè)計(jì)應(yīng)力譜以及用應(yīng)力循環(huán)次數(shù)表示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命。并推導(dǎo)了各類(lèi)車(chē)間實(shí)測(cè)吊車(chē)梁的等效應(yīng)力幅αf，σ。此處，σ為設(shè)計(jì)應(yīng)力譜中最大的應(yīng)力幅 αf為變幅荷載的欠載效應(yīng)系數(shù).因不同車(chē)間實(shí)測(cè)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)不同，為便于比較,統(tǒng)一以n、2.106次的疲勞強(qiáng)度為基準(zhǔn) 進(jìn)一步折算出相對(duì)的欠載效應(yīng)等效系數(shù)αf。結(jié)果如表23所示 表23，不同車(chē)間的欠載效應(yīng)等效系數(shù) 分析測(cè)定數(shù)據(jù)時(shí)，都將最大實(shí)測(cè)值視為吊車(chē)滿負(fù)荷設(shè)計(jì)應(yīng)力，σ,然后劃分應(yīng)力幅水平級(jí)別、事實(shí)上。實(shí)測(cè)應(yīng)力與設(shè)計(jì)應(yīng)力相比 隨車(chē)間生產(chǎn)工藝的不同，吊車(chē)吊重物后 實(shí)際運(yùn)行位置與設(shè)計(jì)采用的最不利位置不完全相符，而有懸殊差異、如均熱爐車(chē)間正常的最大實(shí)測(cè)應(yīng)力為設(shè)計(jì)應(yīng)力的80 以上,煉鋼車(chē)間為設(shè)計(jì)應(yīng)力的50、左右,而水壓機(jī)車(chē)間僅為設(shè)計(jì)應(yīng)力的30，考慮到實(shí)測(cè)條件中的應(yīng)力狀態(tài)。難以包括長(zhǎng)期使用時(shí)各種錯(cuò)綜復(fù)雜的狀況。忽略這一部分欠載效益是偏于安全的 根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果,提出本標(biāo)準(zhǔn)表16.2,4供吊車(chē)梁疲勞計(jì)算的αf值 A6,A7.A8工作級(jí)別的重級(jí)工作制硬鉤吊車(chē)取用1.0,A6.A7工作級(jí)別的重級(jí)工作制軟鉤吊車(chē)為0 8、有關(guān)A4、A5工作級(jí)別的中級(jí)工作制吊車(chē)桁架需要進(jìn)行疲勞驗(yàn)算的規(guī)定、是由于實(shí)際工程中確有使用尚屬頻繁而滿負(fù)荷率較低的一些吊車(chē) 如機(jī)械工廠的金工，鍛工車(chē)間.特別是當(dāng)采用吊車(chē)桁架時(shí)，有補(bǔ)充疲勞驗(yàn)算的必要，故根據(jù)以往分析資料,中級(jí)工作制欠載約為重級(jí)工作制的1，3倍,推算出相應(yīng)于n.2 106的αf值約為0.5、至于輕級(jí)工作制吊車(chē)梁和吊車(chē)桁架以及大多數(shù)中級(jí)工作制吊車(chē)梁.根據(jù)多年來(lái)使用的情況和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn) 可不進(jìn)行疲勞計(jì)算，需要說(shuō)明的是、表23的計(jì)算結(jié)果都是基于當(dāng)時(shí)有關(guān),低應(yīng)力幅與高應(yīng)力幅有著相同損傷作用。即斜率保持不變，且無(wú)論如何小的低應(yīng)力幅始終有損傷作用.這一保守方法的處理結(jié)果。得到的欠載效應(yīng)等效系數(shù)αf會(huì)偏高 實(shí)際上應(yīng)該有所減小 然而近30年來(lái)工業(yè)廠房吊車(chē)梁的應(yīng)用狀況發(fā)生了很大的變化 吊車(chē)使用的頻繁程度大幅度提高，依據(jù)近10年來(lái)的測(cè)試數(shù)據(jù)，采用與88版規(guī)范相同的分析方法，得出欠載效應(yīng)等效系數(shù)αf相比過(guò)去已有所提高。由于此消彼長(zhǎng)的因素,故自88版規(guī)范修訂以來(lái)提出的欠載效應(yīng)等效系數(shù)αf在數(shù)值上目前還是適用于吊車(chē)梁的疲勞強(qiáng)度計(jì)算，