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16,2 疲勞計算16。2。1,本條在原規(guī)范第6、2,1條的基礎(chǔ)上、增補了許多內(nèi)容和說明,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，當結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力幅較低時?？刹捎檬健?6、2，1,1、和式。16 2、1、4 快速驗算疲勞強度，國際上的試驗研究表明，無論是常幅疲勞還是變幅疲勞。低于疲勞截止限的應(yīng)力幅一般不會導致疲勞破壞 本次修訂參考歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范EC3。Design.of.steel，structures,Part1，9 Fatigue、增加了少量針對構(gòu)造細節(jié)受剪應(yīng)力幅的疲勞強度計算 同時針對正應(yīng)力幅的疲勞問題。引入板厚修正系數(shù)γt來考慮壁厚效應(yīng)對橫向受力焊縫疲勞強度的影響。國內(nèi)外大量的疲勞試驗采用的試件鋼板厚度一般都小于25mm.對于板厚大于25mm的構(gòu)件和連接、主要是橫向角焊縫和對接焊縫等橫向傳力焊縫，試驗和理論分析表明、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.疲勞強度隨著板厚的增加有一定程度的降低，因此需要對容許應(yīng)力幅針對具體的板厚進行修正,板厚修正系數(shù)γt的計算公式 16、2 1。7、參考了國際上鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計規(guī)范 如日本標準JSSC.歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范EC3 考慮到非焊接與焊接構(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) 因此為了疲勞強度計算統(tǒng)一采用應(yīng)力幅的形式.對非焊接構(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)力幅的表達方式為，式中,k、系數(shù)。按,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范,TJ,17。74規(guī)定，對主體金屬 3號鋼取k,0、5。16Mn鋼取k，0，6,對角焊縫。3號鋼取k.0，8，16Mn鋼取k，0 85,δp0、應(yīng)力比ρ、ρ σmin,σmax,0時疲勞容許拉應(yīng)力,其值與，σ 相當、在,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范,TJ，17。74中 σp0?？紤]了欠載效應(yīng)系數(shù)1。15和動力系數(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,是試驗值，已包含動載效應(yīng).所以亦不考慮動力系數(shù)、因此、σ,的取值相當于。σp0。1、15,1，1,0 79.σp0,另外88版規(guī)范以高強螺栓摩擦型連接和帶孔試件為代表,將試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析 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資料。二是以幾種主要的形式為出發(fā)點，把眾多的構(gòu)件和連接形式歸納分類.每種具體連接以其所屬類別給出S N疲勞曲線和相關(guān)參數(shù)，為進行統(tǒng)計分析工作、匯集了國內(nèi)現(xiàn)有資料,個別連接形式、如T形對接焊接等.適當參考了國外資料.根據(jù)不同鋼號，不同尺寸的同一連接形式的所有試驗資料，匯總后按應(yīng)力幅計算式進行統(tǒng)計分析，以95.置信度取2，106次疲勞應(yīng)力幅下限值。也就是疲勞試驗數(shù)據(jù)線性回歸值,平均值 減去2倍標準差。按各種連接形式疲勞強度的統(tǒng)計參數(shù) 非焊接連接形式考慮了最大應(yīng)力、應(yīng)力比,實際存在的影響 以構(gòu)件母材,高強度螺栓連接，帶孔.翼緣焊縫，橫向加勁肋，橫向角焊縫連接和節(jié)點板連接等幾種主要形式為出發(fā)點，適當照顧S。N曲線族的等間距設(shè)置，把連接方式和受力特點相似.疲勞強度相近的形式歸成同一類.最后確定構(gòu)件和連接分類有8種。分類后,需要確定S N曲線斜率值。根據(jù)試驗結(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，為簡化計算取用3和4兩種斜率 而在N。2 106次疲勞強度取值略予調(diào)整。以免在低循環(huán)次數(shù)出現(xiàn)疲勞強度過高的現(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，即疲勞強度，近20多年來 世界上一些先進國家在鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能和設(shè)計方面開展了大量基礎(chǔ)性的試驗研究工作，取得了許多成果.發(fā)展了鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計水平。提出了許多構(gòu)造細節(jié)的疲勞強度數(shù)據(jù)。而我國這方面所做的基礎(chǔ)性工作十分有限,鑒于此現(xiàn)狀 本次標準修訂時 對國際上各國的研究狀況和成果進行了廣泛的調(diào)研和對比分析,在保持原規(guī)范疲勞設(shè)計已有特點的基礎(chǔ)上.借鑒和吸收了歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范EC3鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計的概念和做法.增加了許多新的內(nèi)容,使我國可進行鋼結(jié)構(gòu)疲勞計算的構(gòu)造細節(jié)更加豐富 具體如下 1 將原來8個類別的S N曲線增加到 針對正應(yīng)力幅疲勞計算的.有14個類別，為Z1.Z14、見正文表16 2,1，1,針對剪應(yīng)力幅疲勞計算的。有3個類別。為J1、J3。詳見正文表16,2 1.2、2、原來的類別1和2保持不變,即為現(xiàn)在的類別Z1和Z2 原來的類別3，4.5，6，7.8分別放入到最接近現(xiàn)在的類別Z4、Z5，Z6、Z7，Z8。Z10中,在N。2 106時的新老容許應(yīng)力幅的差別均在5。以內(nèi),在工程上可以接受.原來針對角焊縫疲勞計算的類別8 放入到現(xiàn)在的類別J1 3、國際上研究表明 對變幅疲勞問題。低應(yīng)力幅在高周循環(huán)階段的疲勞損傷程度有所較低,且存在一個不會疲勞損傷的截止限。為此 針對正應(yīng)力幅疲勞強度計算的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.見圖46，但是。針對剪應(yīng)力幅疲勞強度計算的S,N曲線 斜率保持仍不變 為βJ，見圖47。無論是正應(yīng)力幅還是剪應(yīng)力幅,均取N、1。108次時的應(yīng)力幅為疲勞截止限 4、在保持原規(guī)范19個項次的構(gòu)造細節(jié)的基礎(chǔ)上,新增加了23個細節(jié) 構(gòu)成共計38個項次，并按照非焊接.縱向傳力焊縫、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)造細節(jié)進行歸類重新編排。同時構(gòu)造細節(jié)的圖例表示得更清楚。見附錄表K，1，K.6,表22以200萬次的疲勞強度為例，給出了原有構(gòu)造細節(jié)在修訂前后的比較,并指明了新增加的構(gòu)造細節(jié)，歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范EC3構(gòu)造細節(jié)的疲勞強度確定的方法與我國是一致的 即依據(jù)疲勞試驗數(shù)據(jù)的線性回歸值、平均值，減去2倍標準差 表22.各構(gòu)造細節(jié)200萬次的類別及其疲勞強度、針對附錄K，1 K,6、正應(yīng)力幅及剪應(yīng)力幅的疲勞強度S，N曲線見圖46,圖47 圖46，關(guān)于正應(yīng)力幅的疲勞強度S、N曲線16,2，2.對不滿足第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。進行疲勞強度計算.原規(guī)范第6.2。1條對常幅疲勞的計算、無論正應(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.本次標準修訂時，本條文正應(yīng)力幅的常幅疲勞計算為了與第16、2 3條的變幅疲勞計算相協(xié)調(diào)和合理銜接。對應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n在5.106之內(nèi)的容許正應(yīng)力幅計算，S.N曲線的斜率采用βZ。對應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n在5.106與1.108之間的容許正應(yīng)力幅計算。S、N曲線的斜率采用βZ 2，同時、對正應(yīng)力幅和剪應(yīng)力幅的常幅疲勞計算。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條的綜合補充說圖47，關(guān)于剪應(yīng)力幅的疲勞強度S,N曲線明。對不滿足本標準第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度的計算方法,實際結(jié)構(gòu)中重復作用的荷載、一般并不是固定值,若能根據(jù)結(jié)構(gòu)實際的應(yīng)力狀況。應(yīng)力的測定資料，并按雨流法或泄水法等計數(shù)方法進行應(yīng)力幅的頻次統(tǒng)計 預(yù)測或估算得到結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)力譜.則可按本條將變幅疲勞轉(zhuǎn)換為應(yīng)力循環(huán)200萬次常幅疲勞計算.假設(shè)設(shè)計應(yīng)力譜包括應(yīng)力幅水平.σ1.σ2,σi。及對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)n1.n2,ni、然后按目前國際上通用的Miner線性累計損傷定律進行計算。其原理如下,計算部位在某應(yīng)力幅水平.σi作用有ni次循環(huán),由S，N曲線計算得、σi對應(yīng)的疲勞壽命為Ni 則，σi應(yīng)力幅所占損傷率為ni，Ni 對設(shè)計應(yīng)力譜內(nèi)所有應(yīng)力幅均做類似的損傷計算，則得，從工程應(yīng)用的角度,粗略地可認為當 ni,Ni,1時發(fā)生疲勞破壞.計算疲勞累計損傷時還應(yīng)涉及S N曲線斜率的變化和截止應(yīng)力問題、國際上的研究表明。對變幅疲勞問題 常幅疲勞所謂的疲勞極限并不適用 隨著疲勞裂紋的擴展。一些低于疲勞極限的低應(yīng)力幅將成為裂紋擴展的應(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.小到一定程度就沒有損傷作用了、原規(guī)范采用最簡單的損傷處理方式 即保持S N曲線的斜率不變、認為高應(yīng)力幅與低應(yīng)力幅具有相同的損傷效應(yīng)，且無論多少小的應(yīng)力幅始終存在損傷作用，這是過于保守的做法 并不切合實際.為此、本次標準修訂時.采用歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范EC3國際上認可的做法、即采用本標準第16。2.1條文說明中3的方法來處理低應(yīng)力幅的損傷作用、按照圖46與圖47及以上Miner損傷定律。可將變幅疲勞問題換算成應(yīng)力循環(huán)200萬次的等效常幅疲勞進行計算，以變幅疲勞的等效正應(yīng)力幅為例.圖47，推導過程如下,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 分別對每i級的應(yīng)力幅、σi 頻次ni和j級的應(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條的補充說明,本條提出適用于重級工作制吊車梁和重級，中級工作制吊車桁架的簡化的疲勞計算公式，16，2,4.1,式.16，2.4 2，88版規(guī)范在修訂時、為掌握吊車梁的實際應(yīng)力情況、實測了20世紀70年代一些有代表性的車間吊車梁，根據(jù)吊車梁應(yīng)力測定資料、按雨流法進行應(yīng)力幅頻次統(tǒng)計,得到幾種主要車間吊車梁的設(shè)計應(yīng)力譜以及用應(yīng)力循環(huán)次數(shù)表示的結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命 并推導了各類車間實測吊車梁的等效應(yīng)力幅αf,σ 此處,σ為設(shè)計應(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),因不同車間實測的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)不同。為便于比較,統(tǒng)一以n 2、106次的疲勞強度為基準 進一步折算出相對的欠載效應(yīng)等效系數(shù)αf，結(jié)果如表23所示,表23,不同車間的欠載效應(yīng)等效系數(shù)，分析測定數(shù)據(jù)時 都將最大實測值視為吊車滿負荷設(shè)計應(yīng)力、σ 然后劃分應(yīng)力幅水平級別.事實上。實測應(yīng)力與設(shè)計應(yīng)力相比。隨車間生產(chǎn)工藝的不同。吊車吊重物后，實際運行位置與設(shè)計采用的最不利位置不完全相符.而有懸殊差異 如均熱爐車間正常的最大實測應(yīng)力為設(shè)計應(yīng)力的80、以上 煉鋼車間為設(shè)計應(yīng)力的50，左右 而水壓機車間僅為設(shè)計應(yīng)力的30、考慮到實測條件中的應(yīng)力狀態(tài)，難以包括長期使用時各種錯綜復雜的狀況、忽略這一部分欠載效益是偏于安全的、根據(jù)實測結(jié)果。提出本標準表16 2，4供吊車梁疲勞計算的αf值,A6 A7、A8工作級別的重級工作制硬鉤吊車取用1，0,A6。A7工作級別的重級工作制軟鉤吊車為0。8、有關(guān)A4。A5工作級別的中級工作制吊車桁架需要進行疲勞驗算的規(guī)定。是由于實際工程中確有使用尚屬頻繁而滿負荷率較低的一些吊車，如機械工廠的金工.鍛工車間，特別是當采用吊車桁架時.有補充疲勞驗算的必要 故根據(jù)以往分析資料、中級工作制欠載約為重級工作制的1、3倍，推算出相應(yīng)于n 2、106的αf值約為0、5，至于輕級工作制吊車梁和吊車桁架以及大多數(shù)中級工作制吊車梁,根據(jù)多年來使用的情況和設(shè)計經(jīng)驗、可不進行疲勞計算,需要說明的是 表23的計算結(jié)果都是基于當時有關(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會偏高 實際上應(yīng)該有所減小,然而近30年來工業(yè)廠房吊車梁的應(yīng)用狀況發(fā)生了很大的變化 吊車使用的頻繁程度大幅度提高、依據(jù)近10年來的測試數(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相比過去已有所提高,由于此消彼長的因素。故自88版規(guī)范修訂以來提出的欠載效應(yīng)等效系數(shù)αf在數(shù)值上目前還是適用于吊車梁的疲勞強度計算