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2011年3月，第5卷，第3号（系列号40），第265-272页

Journal of Civil Engineering and Architecture，ISSN 1934-7359，USA

疲劳循环加载下钢结构的性能

Nawir Rasidi^12,Agoes Soehardjono医学博士¹和Sri Murni Dewi¹

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I.布拉维加亚大学，东爪哇65 I 4 I，印度尼西亚

2.印度尼西亚东爪哇65141玛琅国立理工学院土木工程系

摘要：如果相同的载荷或甚至更小的载荷周期性地施加很多次，那么设计用于承载单个静态载荷的单调递增应用的部件或结构可能破裂并失效。例如，在这种反复弯曲的几个周期之后，来回弯曲超过屈服的细杆失败。疲劳失效是由于循环载荷下钢中缺陷的逐步扩展。这种缺陷或裂纹尖端的应力集中部分增强了这一点。板中存在孔或仅存在板中的缺口已在中心点产生应力集中。由于材料本身的某些不连续性，这些应力集中可能发生在材料中。在静态破坏时，整个横截面上的平均应力就是屈服应力。然而，当重复施加负载或负载在拉伸和压缩之间波动时，中心点经受比所施加的平均应力更高的应力反转范围。 这些波动涉及较高的应力范围，会在这些点产生微小的裂缝，这些裂缝会随着循环载荷的逐渐打开和扩散而最终导致破裂。 疲劳失效可以定义为循环次数，因此可以定义为达到预定义或阈值失效标准所需的时间。低周疲劳可以分为几个周期到几万个周期的失效，通常在高应力/应变范围内。高周疲劳需要大约数百万次循环才能启动故障。本文阐述了施加在结构系统上的循环应力类型和抗疲劳设计中使用的术语。疲劳数据的常见表现形式是使用SN曲线，其中总循环应力（S）与对数尺度下的失效循环次数（N）作图。SN曲线变平的点称为“耐力极限”。为了进行疲劳寿命预测，将线性疲劳损伤模型与相关的SN曲线结合使用。

关键词：疲劳，循环载荷，S曲线

1. 介绍

倾向于疲劳失效的结构的例子是受到循环加载的桥梁，起重机，海上结构和细长塔等。

疲劳失效是由于循环载荷下钢中缺陷的逐步扩展。 这种缺陷或裂纹尖端的应力集中部分增强了这一点。

疲劳的特点是：

• • 该过程始于错位运动，最终形成使短裂纹成核的永久滑移带。
  • 经常表现疲劳是一个随机过程，

通讯作者：Nawir Rasidi，ST，MT，博士研究生，研究领域：混凝土结构。 电子邮件： abunawir@yahoo.co.uk

即使在受控环境下也有相当的分散。

• • 施加的应力范围越大，寿命越短。
  • 疲劳寿命分散趋于增加，以延长疲劳寿命。
  • 损害是累积的，材料在休息时不会恢复。
  • 疲劳寿命受多种因素影响，如温度，表面光洁度，存在氧化或惰性化学物质，残余应力，接触（微动）等。
  • 某些材料（例如某些钢和钛合金）具有理论疲劳极限，低于该极限时，连续加载不会导致失效。
  • 近年来，研究人员（例如，参见Bathias，Murakami和Stanzl-Tschegg的着作）[1]

266 疲劳循环加载下钢结构的性能

已经发现，在非常高的疲劳寿命（10⁹至10¹⁰周期）下发生故障低于理论疲劳极限。 在这些实验中使用超声波共振技术，其频率大约为10-20kHz。

• • • 高周疲劳强度（约10³至10⁸周期）可以通过基于应力的参数来描述。 这些测试中通常使用负载控制伺服液压测试台，频率大约为20-50Hz。 还可以使用其他种类的机器，例如谐振磁力机，可实现高达250 Hz的频率。
    • 低周疲劳（通常小于I 0³周期）与广泛的可塑性有关;因此，应该使用基于应变的参数来预测疲劳寿命。以1-5Hz的恒定应变振幅进行测试。 （1，9）。

正如我们从图1中可以看到的那样，板中存在一个孔或者仅仅存在板中的一个槽口，就会在点“m”和“n”处产生应力集中，如图1和图2所示。1和2.这些点的压力可能是平均压力的三倍或更多倍。 由于材料本身的某些不连续性，这些应力集中可能发生在材料中。当钢等延性材料受到静态载荷时，这些应力集中并不严重，因为应力会重新分布到结构内的其他相邻元件上。

在静态破坏时，整个横截面上的平均应力就是屈服应力

图I在缺口和孔存在下的应力集中。

如图2所示。然而，当重复施加负载或负载在拉伸和压缩之间波动时，点m，n的应力反转范围比施加的平均应力更高。这些波动涉及较高的应力范围，会在这些点产生微小的裂缝，这些裂缝会随着循环载荷的逐渐打开和扩散而最终导致破裂。

疲劳失败

疲劳失效发生在四个不同的阶段之后，即：

1. 应力集中点处的裂纹萌生;
2. 破裂增长;
3. 裂纹扩展;
4. 最终破裂。

疲劳裂纹扩展的发展和上面提到的各个阶段在图3中被象征性地表示。疲劳失效可以被定义为循环次数，并且因此定义为达到预定义或阈值失效标准所需的时间。

疲劳失效分为两类，即高循环疲劳失败和低循环疲劳失效，取决于产生破裂所需的循环次数。 低周疲劳可分为几个周期到几万个周期的失效，通常在高应力/应变范围内[7,8]。高周疲劳需要大约数百万次循环才能启动故障。图4显示了施加在结构系统上的循环应力类型和抗疲劳设计中使用的术语。

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其中：

Smax =最大应力结果=最终应力

K =应力强度因子

疲劳循环加载下钢结构的性能 267

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图2静态失效点的应力模式

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图3循环载荷下的裂纹扩展和疲劳失效。

图4结构钢工作抗疲劳设计中使用的术语。

SN曲线和抗疲劳设计

疲劳数据的常见表现形式是使用SN曲线，其中总循环应力（S）与对数尺度下的失效循环次数（N）作图。典型的SN曲线如图5所示。从图5可以看出疲劳寿命随应力范围的增加而减小，并且在应力的极限值处，曲线变平点

SN曲线变平的部分称为“耐力极限”。为了进行疲劳寿命预测，将线性疲劳损伤模型与相关的SN曲线结合使用。一种这样的疲劳损伤模型是Wohler假设的，如图5所示，应力与故障周期数之间的关系可写为：

logN =logC-m -logS （（2）其中“N”是故障周期数，“C”是取决于详细类别的常数，“S”是应用的恒定振幅应力范围，“m”是SN曲线的斜率。为了设计目的，以给定寿命的最大和最小应力作为主要参数更为方便。出于这个原因，如图5所示，修改的古德曼图最常用。最大应力以纵坐标绘制，最小应力绘制为横坐标。线OA表示交替循环（R == -1），线OB表示脉动周期（R == 0），OC表示静态负荷（R == I）。可以通过表示疲劳强度的点“C”绘制针对不同数量的循环的不同疲劳寿命“N”的不同曲线。“N”曲线上的任意点与原点的450°OC之间的垂直距离表示应力范围。如前所述，应力范围是耐疲劳设计中的重要参数。组件受到的应力范围越高，疲劳寿命越低，应力范围越低，疲劳寿命越高。

通过良好的设计避免局部结构不连续性和缺口变得非常重要，这是增加疲劳寿命的最有效手段。在结构遭受疲劳的情况下，仔细考虑焊接接头是非常重要的。 事实上，焊接缺陷和不良焊缝细节是疲劳失效的主要原因。通过使用适当的焊接几何形状，改进焊接方法和使用无损检测（NDT）方法更好地控制焊接质量等技术，可以提高接头的疲劳性能。

268 疲劳循环加载下钢结构的性能

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使用寿命。在所有的加载情况下，使用良好的设计实践，设计组件以最小化应力集中和最大化组件材料的强度是可取的[3]。

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图5钢材疲劳寿命评估的SN图。

以下一般要点对于焊接结构的疲劳强度设计很重要：（1）使用对接焊缝代替角焊缝;（2）使用双面焊接代替单面角焊缝;（3）注意可能导致应力集中的细节;（4）在高循环应力的非常重要的细节中使用任何非破坏性测试（NOT）方法来确保无缺陷细节。从疲劳设计的角度来看，实践规范根据其疲劳裂纹的脆弱性将各种结构关节和细节分类[2]。

每个类别都由一个数字表示

4.l.l静态加载

如果部件在工作寿命中受到恒定应力水平的压力，那么疲劳载荷设计不合适，而对于韧性材料，应力集中系数并不重要。如果组件是脆性的，例如铸铁，那么在设计过程中需要考虑应力集中因素[5]。

可以完成使用材料屈服强度和极限强度的设计，使用合适的强度公式和安全系数。

4.l.2低寿命加载应力循环lt;10³应力循环超过设计寿命

这种情况与静态加载场景类似。有必要检查与材料疲劳性能有关的负载。

低寿命疲劳强度的近似值

下面提供了钢的数值

对应于5times;10⁶的应力

,

分类

• 弯曲S#39;l = 0.9苏

根据其对应力集中的脆弱性，将钢结构工作细化到几个类别。它为所有类别提供SN曲线。使用这些曲线可以获得给定寿命（N）的许用应力（S）。任何疲劳寿命计算的准确性都高度依赖于对结构整个寿命期间的预期加载顺序的良好理解。一旦开发出全球载荷模式，那么对载荷影响可能更为重要的结构的特定区域进行更详细的检查称为“热点应力”，其基本上是应力集中的区域。

疲劳寿命

• 1. 循环载荷寿命疲劳考虑

一个组件在某种程度上受到强调

• • • 轴向载荷S#39;l = 0.75苏
    • 轴向载荷S#39;l = 0.72苏
    1. 在设计寿命期间，有限寿命负载循环10³至10⁶应力循环

使用相关材料的SN（Wohler）曲线并确定相关设计寿命时的相关疲劳应力水平。

如果该信息不可用，那么如果耐力极限和低寿命强度值可用，则可以估计疲劳强度S#39;rcan。

必须考虑疲劳修正因素，并考虑应力集中因素。 如果循环应力水平在整个使用寿命期间处于不同的值，那么使用Palmgren-Miner规则可能是适当的，见下文。

• • 1. 无限寿命负载循环gt; 10⁶应力循环设计寿命

疲劳循环加载下钢结构的性能 269

对于黑色金属和钛合金，可以使用耐久极限S#39;n·对于有色金属，疲劳强度极限S#39;n可以用作设计材料强度（假设所使用的循环与预测相比相似生活）。

应通过适当的疲劳修正因素和设计修改的S#39;n值应适用适当的应力集中值和安全因素。

• 1. Palmgren-矿工

在实际服务中，部件在很少的压力水平下很少受到重复的压力，因此，在不同程度的压力反向作用下，操作的累积损伤效应就会出现。因此，线性累积损害规则或Palmgren-Miner规则已经普遍使用。 它假定一个零件的总寿命可以通过将每个应力周期所消耗的寿命百分比加起来进行估算。

因此，如果在cr1处受到应力的试样的寿命为N1个周期，那么在cr1的n1个循环后的伤害将是失效时总损伤D的n₁/ N1。同样，对于两个

应力水平测试，其中cr1和cr2的寿命分别为N1和N2，相应的损伤，每个周期为DIN_I和D / N₂

故障变为：D = D。n1 / N1 D。n2 / N2或1 = n1 / N1

n2/ N2其中n1和n2分别是cr1和cr2处的循环总数。

对于多级别测试，Palmgren - Mi

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