大学本科《钢结构设计原理》课件 第2章钢结构材料2.ppt

2.钢材的疲劳 5.影响钢材疲劳的主要因素 B. 对于非焊接结构和轧制钢材 （3）应力循环次数N（疲劳寿命） 由试验结果，以及上述分析可知钢材的疲劳强度主要与构件和连接分类（内部缺陷、应力集中、残余应力）、应力循环次数和应力幅有关。 二、疲劳强度计算 （二）变幅疲劳和吊车欠载效应系数 1、不出现拉应力的部位可不计算疲劳。但对出现拉应力的部位，例如σmax=140N/mm2,σmin=-10N/mm2和σmax=10N/mm2,σmin=-140N/mm2 两种应力循环的应力幅都是150N/mm2 ，疲劳强度相同，显然不合理。 2、螺栓受拉时螺纹处的应力集中很大，疲劳强度很低，常有疲劳破坏的实例，但规范没有规定，应予补充。 一、钢的种类 1、碳素结构钢（GB/T 700-88）---低碳钢牌号 Q235--质量等级（A、B、C、D） 浇注方法（F、Z、Tz） A--保证fu、fy、δ，P、S含量 B--保证fu,fy,δ,冷弯，常温时Cv，P，S，C含量； C--保证 fu,fy,δ,冷弯,0oC时Cv，P，S，C含量; D--保证fu,fy,δ,冷弯,-20oC时Cv，P，S，C含量; （二）钢材选择建议 三、钢材的规格 (二）热轧型钢 （三）冷弯薄壁型钢 * 一、概念 1、循环荷载——结构或构件承受的随时间变化的荷载。 P P 1 1 A 1-1 A §2.6 钢材的疲劳 （1）应力循环 （2）应力循环特征—应力比ρ --构件截面应力随时间的变化。 （3）应力幅 在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅: 为常量 常幅循环： 为变量 变幅循环： +σ -σ t (b)脉冲循环 (a)完全对称循环 (c)不完全对称循环 (d)不完全对称循环 在循环荷载（连续反复荷载）作用下，经过有限次循环，钢材发生破坏的现象，称之为疲劳。 3.疲劳破坏的机理 疲劳破坏是积累损伤的结果。 缺陷→微观裂纹→宏观裂纹。 4.疲劳破坏的特征 属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。 （1）构件和连接的分类 规范将构件和连接的种类分为 8类，第1类为轧制的型钢（残余应力小）疲劳强度最高；第8类为角焊缝应力集中最严重疲劳强度最低。 详见钢结构设计规范“疲劳计算的构件和连接分类（附录E）”。 当名义循环应力为拉应力，焊缝附近的应力为屈服强度。 （2）应力幅（Δσ）和应力循环特征（应力比ρ） A. 对于焊接结构： 应力幅对焊接结构的疲劳强度有很大影响，而与名义最大应力σmax和应力比ρ无关。 在循环次数N一定的情况下，根据试验资料可以绘出N次循环的疲劳图(σmax和σmin关系曲线)。 当ρ=0和ρ=-1时的疲劳强度分别为σ0 和σ-1，连接BC并延长至A、D。 非焊接结构的疲劳图 D A 由上述推导可知，对于非焊接结构和轧制钢材，疲劳强度与最大应力、应力比、循环次数和缺口效应（构造类型的应力集中情况）有关。 ABCD直线方程为： D A 非焊接结构的疲劳图 应力循环次数N5×104，不需要进行疲劳计算。 应力幅越低，作用循环次数越多， 疲劳寿命越高； 应力幅相同，作用的循环次数越 多，疲劳寿命越高。 0 NX105 N1 N2 fy 1 2 3 4 5 6 焊接部位的疲劳强度与钢材的静力强度(屈服点fy)基本无关。 对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。 （一）常幅疲劳 根据试验数据可以绘出构件或连接的应力幅Δσ 与相应的致损循环次数N的关系曲线，按试验数据回 归的Δσ-N曲线为平均曲线(图a)，取对数坐标(图b)。 1.容许应力幅[Δσ] 由于现阶段对钢材发生疲劳破坏尚处于进一步研究阶段，按概率极限状态计算疲劳强度还不成熟，故采用容许应力幅的计算方法。 Δσ-N曲线 (a) 0 N 式中：β--直线对纵坐标的斜率； b1--直线在横轴坐标上的截距； N--循环次数。 (b) 0 N=5×104 N=5X106 . . . . . . . . . . . . b1 考虑试验数据的离散性，取平均值减去2倍lgN的标准差 s 作为疲劳强度下限，当lgΔσ为正态分布时，保证率为97.7%。下限值的直线方程为： 此时的Δσ即为容许应力幅： 式中：系数β、c--根据钢结构设计规范“疲劳计算的构件和连接分类”查表得到。 2S 2S (b) 0 N=5×104 N=5X106 . . .