1、1 1 交变应力交变应力 交变应力的特征参数： 上应力D （每一载荷周期内出现的最大应力值max） 下应力u（每一载荷周期内出现的最小应力值min ） 平均应力m， m=（D+ u）/2动载结构动载结构时间载荷周期应力D m a a =2a u 应力幅度a,a=(D-u)/2 （表示应力变化的幅度） 应力摆幅度 =2a 交变应力的循环特性值, = min/max 当max= -min, =-1时称为对称循环 当max0,min=0, =0时称为脉动循环 当max=min, =1 时为静应力状态 在交变应力的作用下，构件内的最大应力虽然低于材料的屈服极限，但经过长期的载荷交变重复之后，也会突然断
2、裂。即使是塑性较好的材料，断裂前也没有明显的塑性变形。2 2 结构的疲劳强度结构的疲劳强度 试验表明，在交变载荷的作用下，要经过一定次数的应力循环，试件才会发生疲劳断裂。而且在同一循环特性下应力循环中的最大应力越大，试件破坏前经过的循环次数越小；反之，应力循环中的最大应力越小，破坏前经历的循环次数越多。在最大应力减小到某一临界值以后，试件可以进行经历无穷多次应力循环而不发生疲劳破坏。最大应力的这 一临界值称为材料的持久极限（疲劳极限），所以在进行疲劳强度计算时，应以材料的持久极限为极限应力，作为结构设计的依据。 同一材料在不同的循环特性值下，其持久极限的数值是不同的。通常用符号() 表示持久极
3、限，脚标表示应力循环特性，例如0, -1。试验结果表明，对称循环下材料的特久极限最低。3 3 承受动载的焊接接头承受动载的焊接接头 疲劳断裂是金属结构失效的一种主要型式，统计资料表明，由于疲劳而失效的金属结构约占失效结构的90%。 疲劳一般从应力集中处开始，而焊接结构的疲劳又往往是从焊接接头处产生。在焊接接头中，产生疲劳裂纹一般比其它联接形式的循环次数少，这是因为焊接接头中不仅有应力集中，而且这些部位易产生焊接接头缺陷，焊接残余应力也比较高。因此采用合理的接头设计，提高焊缝质量，消除焊接缺陷是防止和减少焊接结构疲劳破坏的重要方面。 对于焊接接头的缺口状态，人们常用应力线分布来清楚地进行表示，见
4、图4:k k k Schnitt-Schnitt-Schnitt-Schnitt-Schnitt-Schnitt- k Schnitt-Schnitt-图4 焊接接头的缺口效应 从图中可清楚地看出，在焊接接头上的部位，也是应力集中的部位，同时也说明越尖锐、越深，则应力集中越高。 当构件受到长度方向的载荷时，在缺口部位产生较高的应力集中，其将阻碍构件的改变，即在应力状态下的材料脆化现象，此外，导致材料脆断的影响因素还有：材料的种类及状态环境温度加载速度k k k - - - - k 图10 对接接头中的应力分布 I II Igeringe Kerbwirkunggeringe Kerbwirku
5、ngI II Igrone Kerbwirkunggrone Kerbwirkungk kI-II-Ik k-k k-k kI-II-I图11 对接接头中的应力分布 焊接接头中的应力分布状态焊接接头中的应力分布状态k k N N N N - - - 图10 对接接头中的应力分布 k kI II-II-II Ia ak k-k k-k kI II Ik ka aI II Ia ak k图11 角接接头中的应力分布 改善焊缝形状加工打磨焊缝余高打磨焊缝过度部位WIG-重熔等离子-重熔控制焊缝成型特殊的焊条盖面用WIG焊焊缝边缘重熔特殊焊接方法消除内应力喷丸锤击局部过载局部加压消除应力退火局部加热喷
6、射方法加载方法机械方法热加工方法( IWE-3/3.13)哈尔滨工业大学 刘雪松2006.5.6承受动载的对接接头设计承受动载的对接接头设计3mm3mm3mm3mm2t2t1:41:41:41:4tttt2 22 2t t2 2t t1 12 2ttt t1 14t4tttt t2 2tt不同板厚的对接接头80803 33 3StirnfugennahtStirnfugennahtt t1 1t t2 2808060600 0双层板的对接接头内角焊缝承受动载的对接接头设计承受动载的对接接头设计8080t t1 1t t2 2t t3 33 33 31212121260600 0三层板的对接接头
7、承受动载的对接接头设计承受动载的对接接头设计搭接角焊缝设计搭接角焊缝设计b2 b1 min 30 gleichschenki.Naht rechn.a 2t2tt t t 1:2 2tt t b2 b1= rechn.a 2t2tt 1:2 等焊脚长度的焊缝计算长度 a计算长度 a接头设计及焊接中应注意的问题接头设计及焊接中应注意的问题A）应保证构件上的作用力均匀分布，避免不必要的应力集中；B）对不可避免的缺口应尽量布置在低应力区或受压应力区；C）对截面变化较大的部位应采取较大的过渡半径，去除棱边和沟槽等，避免急剧的截面过渡；D）分散作用力在构件上的作用位置，避免点或线性的受力位置；E）应保证
8、焊接接头具有良好的表面质量，避免存在表面缺陷；F）保证良好的焊缝质量，避免产生表面及内在的焊接缺陷。( IWE-3/3.14)哈尔滨工业大学 刘雪松2006.5.6l承载拉伸、弯曲和扭转的构件应采用长而圆的过渡结构以减小刚度的突然变化；l优先采用对接焊缝，尽可能少用角焊缝；l采用带有搭接盖板的搭接接头和弯搭接接头，尽可能不用偏心搭接；l使焊缝位于低应力区，使各种因素引起的缺口效应分散，避免其叠加；l在焊趾、焊根和焊缝端部的缺口前后设置一些缓冲缺口以降低或消除焊缝处缺口部位的应力；l承受横向弯曲的构件应缩短支撑间距以减小弯矩；l横向力应当作用于剪切中心之上，以减小扭矩；l承受拉伸和弯曲的构件如需
9、要加强，则加强件的长度应该小，以减小加强件对构件变形的拘束；l对薄板应合理布置焊缝，以减轻弯曲变形；避免能扰乱力流的开口；但与力流垂直的加强筋板角部应切除；l在特别危险的部位以螺栓接头、铆接接头或锻造连接件来代替焊接接头（又便于装配）。l我国现行钢结构标准GB-17-88与原设计规范TJ-17-74相比，在钢结构疲劳强度计算中做了一些改动，在TJ-17-74中，基体金属和连接的疲劳计算采用疲劳许用应力，而在GB-17-88中，采用容许应力范围，应力按弹性状态进行计算。l容许应力范围按构件和连接类别以及应力循环次数确定。l在应力循环中，不出现拉应力的部位可不计算疲劳强度。l该计算不适用于在特殊条
10、件下服役构件的疲劳强度，如：构件表面高温、海水腐蚀环境、焊后经消除应力热处理以及低周高应变疲劳等条件。焊接部位的应力范围： =max-min非焊接部位的折算应力范围： =max-0.7min设计要求： =（c/n)1/为常幅疲劳的容许应力范围（MPa）其中：n为应力循环次数 c、为常数，根据类别按表计算。minmax注：1、所有对接焊缝均需焊透； 2、项次16中的应力范围取剪应力。构件和连接类别1234C1940 x10124861x101243.26x101242.18x10124构件和连接类别5678C1.47x101240.96x101240.65x101240.41x10124l对于重
11、级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架的疲劳，可作为常幅疲劳按下式计算： af2x106 af 为欠载效应的等效系数，按表3采用； 2x106循环次数为n=2x106时的容许应力范围，按表4采用吊车类别af重级工作制硬钩吊车1.0重级工作制硬钩吊车0.8中级工作制吊车0.5表3 欠载效应的等效系数af表4 循环次数为n=2x106时的容许应力范围（MPa）构件和连接类别12342x106176144118103构件和连接类别56782x10690786959( IWE-3/3.15)哈尔滨工业大学 刘雪松2006.5.6l规范的功能 ：为承受疲劳载荷钢结构的评估、制造、检查和维修提供系统的原
12、理和方法。l结构可以承受的应力循环次数取决于：公称应力范围的大小及特定结构的细节类型。其解析表达式为： Rrmrss 其中：-在给定应力循环次数下，以应力范围定义的疲劳强度（如图）。ECCS-TC6用正应力范围表示的疲劳强度曲线 图中在双对数坐标上绘出以平行等距直线表示的不同接头类型的疲劳强度，即把纵坐标刻度分为20级(在1001000MPa之间)，每级大约有12%的强度区别。具体可用下式表达： N=cR-m 式中: R 可查表1。ECCS-TC6用正应力范围表示的疲劳强度曲线循环次数类别105细节类型2106常幅疲劳极限5106截止限108R4343803393042712442172031
13、71152136122109981601401251121009080716356504540361181039283746659524641373329266557514540363229252320181615l表1中细节类型号是寿命为N=2106次应力循环时的R值。细节类型号见表26。l图1中的常幅疲劳极限定义为寿命为5 106次应力循环时的疲劳强度，当构件全部应力范围低于该常幅疲劳极限时，不必进行疲劳计算。l截止限定义寿命为108次应力循环时的疲劳强度，所有低于截止限的应力范围可略去不计。l图1中疲劳强度的各平行线，其m值为3。其数值是以板厚为15mm的试样获得的，当板厚超过25mm时
14、，可用下式估算疲劳强度：l式中R和 Rc细节校正前后的疲劳强度；B为板厚。425 BRRcl切应力作用导致疲劳失效时，裂纹通常沿着2K角焊缝截面（最大高度截面）扩展，此时m取为5，截止限仍为108次应力循环，但没有常幅疲劳限，见图2。表7为切应力疲劳强度R的数值。105细节类型2106截止限1081468037表7 抗切疲劳强度数值R （MPa)图2 用切应力范围表示的疲劳强度曲线l设计应力范围e，可采用Miner的累加法则计算：式中：k-应力谱中不同应力范围的总数； i -第i级应力范围值； ni-对应于应力范围i的应力循环次数； N-设计寿命期间内所有应力范围下的循环数的总和。mimiki
15、eNn11lrm和rn分别为考虑疲劳强度和载荷的安全系数。对疲劳强度R选取的安全系数rm ，应反映由于局部应力集中、细节尺寸、冶金效应、残余应力、裂纹形状和焊接工序变化等造成的给定结构细节的疲劳强度不稳定性。rs与构件设计中所选用的载荷大小、应力循环次数、设计应力谱的等效常幅化有关。 rm 、 rs在设计中根据结构特性取值，但不应小于1。l本规范只适用于屈服点低于700MPa的各种等级的结构钢。不适用于低周高应变疲劳，即任一标称应力范围超过屈服点s的1.5倍时，不能采用本疲劳评估程序。l本规范没有考虑由于腐蚀引起的疲劳强度降低，服役温度高于150的结构也不能采用本规范进行疲劳评估。l本规范适用
16、范围：屈服点低于700MPa的碳钢、碳锰钢和细晶粒钢调质钢材的焊接接头。它不针对某一具体产品，也不适用于在严重腐蚀介质下工作的焊接结构。l本规范的出发点：焊接结构的疲劳寿命依赖于结构内各焊接接头的疲劳强度，而焊接接头的疲劳强度主要决定于施加的应力范围和接头类别所决定的应力集中情况。l首先根据载荷的历程编制结构工作状态下各个接头的应力谱，再依据本规范提供的相关曲线，按照损伤积累理论计算个接头的疲劳寿命。将计算的寿命与需求的寿命比较，以确定设计接头的取舍。对应力范围保持不变的常幅载荷，可直接将需求的寿命与各有关的S-N曲线所给定的寿命进行比较。具体流程为：载荷历程应力谱焊接接头细部类别相关的S-N
17、曲线损伤积累计算推算寿命与需求寿命比较l应力计算：接头中的应力常为法向应力，再焊缝附近如有开孔或拐角等应力几种因素时，计算中应加以考虑。lS-N曲线：以双对数坐标表示，表达式为N=c/m。m值为S-N双对数曲线的斜率，因而，图中曲线的位置由c值决定。lm的取值在34之间变化，标准给出m=3和m=5两组曲线，它们在2106循环处相交。lN=B/ m为静载条件，不必进行疲劳强度计算。IIW.Doc639-81中的S-N曲线lN=B/ m为静载条件，不必进行疲劳强度计算。对于m=3，B=71010，对于m=3.5，B=71011，此时应力范围的单位为MPa。l应力范围低于疲劳极限（5108循环时的疲
18、劳强度）时，也不必进行疲劳强度计算。l图中各条S-N曲线上标注的接头细节分类对应2106次循环次数的应力范围或疲劳强度值（MPa），接头细节分类见表8。l各接头细节S-N曲线在2106次循环下和相应的应力范围条件下，按公式计算的c值列于表9中。( IWE-3/3.16)哈尔滨工业大学 刘雪松2006.5.6l计算方面的验证计算方面的验证l一般应力验证l稳定性验证l工作强度验证l状态安全性验证（如果要求）l变形验证（如果要求）一般应力验证工作强度验证不同的预定载荷不同的计算结果一般应力验证固定载荷下的较大应力变化载荷 与许用应力比较(DS804-表24)+=g+UIC许用应力(DS804-表24
19、)变化载荷(火车)下的应力UIC71(理论值)载荷状态UIC71的交变系数支撑宽度：最大=1.67,在I3.16m 最小=1.0,在I65.0m固定载荷下的应力l对于承受双轴高应力状态的构件，如实壁梁的腹板，要计算其比较应力，并与相应的许用应力进行比较。 y=x2+y2xy+32其中腹板上的剪应力可取其中间值： =Q/A腹板l通常进行疲劳强度试验时所加的载荷为均匀变化的正弦波形载荷，同时在测量疲劳强度时应考虑到载荷的最大振幅。这种疲劳强度验证方式有以下缺点：1.假定的应力状态与实际有差别，如由火车通过而导致的载荷变化频率及实际应力值没被考虑。2.仅具有较大跨度的主梁可以满足验证条件，而有时在跨
20、度较小的构件上也会出现较高的应力循环。3.假定的应力状态有时还会被其他应力所代替。4.在跨度较小的构件上有时也会出现疲劳破坏。l工作强度是指构件在实际工作条件下的抗动载能力（疲劳）1.构件间断性地承受不同强度的载荷。2.在构件的横截面上作用不同强的应力。3.载荷过程是由单个负载循环所组成。l计算前首先应知道每个构件的极限应力（应力上限和应力下限），以及应力差值（应力振幅）。o 应力上限;u 应力下限;m=(o+u)/2应力中间值；= o-u= 最大-最小应力幅。l此外还应考虑影响工作强度的相关因素:1.梁架的长度或跨度2.火车通过桥梁的方式及次数3.每年单位载荷l上述影响因素将导致应力上限和下
21、限的降低，由此可得出等效的均匀波动应力循环曲线。等效的均匀波动应力循环的上限和下限分别为o /和u /。 =123最小=123最小式中：1 表征梁的跨度，最小1 =0.43(梁跨度小于2m) 最大1 =2.21(梁跨度小于100m)2 多轨桥梁上火车运行状态， 2=1（单轨桥梁） 最小2 =1（单轨） 最大2 =1.44（多轨）3 每年每条轨道承受的单位载荷（千万吨/年轨） 最小3 =0.85（4千万吨/年轨) 最大3 =1.304（90200_1.2l提升载荷系数与行走载荷之间的关系不是线性变化的，其取决于：a)提升速度b)运行可能性，提升或下降c)提升及支撑结构的弹性d)提升加速的方式。l
22、由于起吊和放下的瞬间吊臂及钢丝绳将受到很大的冲击力，这个冲击载荷比静载荷大几倍。因此在一定的提升速度VH下应考虑到提升级别，见下表。l理论上当VH=0，W=0时，但仍有垂直力作用于吊车上，此时提升级别线的交点按VH=-45m/min时确定。提升载荷系数提升级别90VH m/min 90VH m/minH11.2+0.0022VH1.3H21.2+0.0022VH1.6H31.2+0.0022VH1.9H41.2+0.0022VH2.2表2 提升级别和提升载荷系数序号吊车按用途分类提升级别应力级别1手动H1B1,B23机加车间用H1B2,B318重载一浮吊H1B2,B321建筑用悬臂吊H1B32
23、安装起重机H1,H2B1,B28浇注吊车H1,H2B5,B612门式吊车（吊钩）H2B4,B526汽车吊（吊钩）H2B3,B413门式吊车(抓斗或磁盘)H3,H4B5,B627汽车吊(抓斗或磁盘)H3,H4B4,B510装料吊车H4B6l吊车行走及刹车会导致水平方向的力，其形式比较复杂，较难进行计算。按DIN15018标准通常对轮与轨道间的摩擦系数取=0.2。在下图中对门式吊小车在起动和刹车时产生的侧向力进行说明。材料选用St37和St52(按DIN17100)及St35和St55(按DIN17100)钢，或其他性能相等的钢。l在多轴应力状态下，必须对构件及焊缝中的比较应力进行验证。构件单轴双
24、轴焊缝单轴双轴注：223v222v2223yxyxv2222yxyxv/w表6 比较应力的计算及应力 验证（DIN15018）l当吊车载荷状态为H级，应力循环次数大于2104时，需要进行工作强度验证，即动载应力验证。与此相关的参数是应力作用状态，即应力的大小及作用频率。根据应力的上、下限及状态系数P分为四种理想的应力作用状态，如下图。理想应力作用状态S0S1S2S3吊车部件几乎不承受较大应力仅短时间承受较大应力承受较小和中等应力几乎全部承受较的应力提升机构很轻，主要提升轻载轻，轻重载时间几乎相等中等，主要提升重载重，几乎全部提升重载图8 应力作用状态示意图l应力循环次数可按提升及下落次数划分为
25、四组。有应力循环次数及应力作用状态，可以确定相应的应力组别，见表10。应力循环次数N1N2N3N4应力循环总数N2x1042x1052x1056x1056x1052x1062x106工作性质载荷作用时间短间歇时间长有规律性地断续工作有规律性地连续工作有规律性地重载下连续工作应力作应状态应 力组 别S0 很轻B1B2B3B4S1 轻B2B3B4B5S2 中等B3B4B5B6S3 重B4B5B6B6表10 应力组别l工作强度不仅取决于应力作用状态和应力循环次数，还与构件的结构形式有关，如：缺口效应、动载或载荷的变化形式，以及材料的强度和对缺口的敏感性。图11给出了S0至S3的工作强度曲线组，该图仅
26、适用于 一定的结构或一定的材料，同时还应考虑到在一定的极限应力比（最小/最大）下的缺口效应。图11 工作强度曲线和应力组别（DIN15018）l在DIN15018和DIN4132标准中把缺口状态分为8种，其中W0、W1、W2是对打磨或钻孔构件而言的，K0、K1、K2、K3、K4是针对焊接构件的。其缺口效应依次增大。不同缺口状态举例如下：l在进行工作强度验证时，首先应确定其许用应力值，表19给出了与极限应力比值相关的许用上限应力计算公式。其中对压应力和拉应力的计算是不同的。例如：在拉应力状态下，当(R)=0时的许用应力D是当(R)=-1时的1.6倍，而在压应力状态下则为2倍。范围许用上限应力的计
27、算公式-1 R0拉压0 R1拉压)1(235)(DRRDZzulzul)1(12)(DRRDZzulzul)1 (1 75. 0)0()()0(RzulzulBDZzulDZRDZ)1 (1 90. 0)0()()0(RzulzulBDZzulDZRDZ材料St37和St52缺口状态K0K1K2K3K4应B1(475.2)(424.2)(356.4)252.4152.7力B2(336)(300)252180108组B3237.6212.1178.2127.376.4别B41681501269054B5118.8106.189.163.638.2B68475634527表20 DIBN15018工作强度验证R=1时的许用应力D表中许用应力值，其安全系数为1.33，而在工作强度下的可靠性概率为90%。括号中的数据仅适用于公式计算。构件焊缝DZ（R）在缺口状态W0时的许用应力3)()(RDZRDzulzul2)()(RDZRDzulzul表21 DIN15018许用剪应力D的计算公式表中给出了构件和焊缝的许用剪应力计算公式，可以看出在同一条件下，焊缝的许用剪应力要大于构件的许用剪应力。
