土木工程结构设计中结构断裂和疲劳理论（论文）.pdf

⋯⋯⋯ 建煎 氆 划 A rchitecturcd andStructuralDes I 土 木 工 程 结 构 设 计 中 结 构 断 裂 和 疲 劳 理 论 Structure Design of Civil Engineering Structure Fracture and Fatigue Theory 张璐璐 (中铁时代建筑设计院有限公司，安徽 芜湖 241 000) ZHANGLu．1u (China Railway Shidai Architecural Design Institute Co．Ltd．，Wuhu 241000，China) 【摘 要】在结构设计时，关于构件的断裂和疲劳是考虑的关键点，在实际工程中构件多数是在交变应力作用下工作，发生疲劳破 坏的，因此疲劳分析在结构工程设计中占有重要的地位，对于结构设计寿命的影响是至关重要的。由于结构设计时没有充分考虑疲 劳与断裂在结构构件中的影响，导致出现工程事故的比比皆是。疲劳和断裂是引起结构和构件失效的主要原因之一。疲劳理论为解 决构件设计使用寿命提供了理论基础和计算方法。 【Abstract]Inthe structuredesignandfatiguefractureofthecomponentisthekeypointto consider，intheactual situationofcomponentisthe mostunderstressworkinalternating，thefatiguefailure，thereforethefatigueanalysisplaysanimportantroleindesignofstructureengineering，is crucialtotheinfluenceofstructuredesignoflife．Becauseoftheinfluenceofstructuredesigndoesnotconsiderthefatigueandfractureoffullyin structuralmembers，leadingtomeettheeyeeverywhereappearedengineeringaccident．Fatigueandfractureiscausedbyoneofthemainstructure andcomponentfailure．Fatiguetheorytosolvecomponentdesignservicelifeandprovidesthetheoreticalbasisandcalculationmethodof． 【关键词】结构设计；构件；断裂；疲劳 【Keywords】structuraldesign；component；fatigue；fatigue 【中图分类号】Tu973．2+54 【文献标志码IA 【文章编号】1007—9467(2015)04．0045．03 [DOI]10．13616／j．cnki．gcjsysj．2015．04．008 1 引 言 构件断裂和疲劳是造成工程结构物出现工程事故的主要 原因，在进行结构设计时应该充分考虑到结构物的疲劳设计。 在进行结构设计时一般已考虑构件的疲劳因素，但是在实际的 结构中仍然会出现由于疲劳失效造成的结构物垮塌或者断裂 等工程事故和质量问题，造成很大的经济损失和社会影响_l1。 2 结 构 疲 劳 寿 命 分 析 【作者简介】张璐璐(1982～)，女，河北深县人，工程师，从事土木工 程及结构设计与研究，(电子信箱)884572825@qq．com。 疲劳理论和疲劳试验对于设计各类承受循环载荷的机 械和结构，成为重要的研究内容。疲劳有限寿命设计中进行寿 命估算，必须 了解材料的疲劳性能 ，以此作为理论计算的依 据 。由于疲劳寿命的长短取决于所承受的循环载荷大小，为此 还必须编制出供理论分析和全尺寸疲劳试验用的载荷谱 ，再 根据与各种疲劳相适应的损伤模型估算出疲劳寿命嘲。 2．1对构 件 中金属 材料 应 力应变 特性试 验 实验目的：了解金属材料的瞬态响应。了解金属材料在弹 性变形和塑性变形两个不同阶段的应力一应变滞后环形状。 实验原理：当承受的外载荷超过材料的比例极限时，就形 45 l工程建设与设计 } i 再i 成了迟滞回线，亦即滞后环 ，而产生塑性耗散。当材料所受到 的外载荷处于材料的弹性范围内时，宏观上认为材料不产生 塑性。图 1、图2分别为应力一应变处于弹性范围和应力一应 变处于塑性范围。 L_一 一一⋯⋯ 一一 ， ＼ ／＼ f／ ＼ ／ ＼ ／ ＼ ＼ } ／ ＼ }一⋯一一 ⋯一一—— 一——一 一—·-一 ＼ f 4- } ＼ ／ f ＼ ／ ＼ ／ ； ＼ ／ L一 ⋯----—— ————一————一一—— —————— 一 } ／ 图 1应力一应变处于弹性范围 ‘ ， ／ l ／ ． ⋯ 一 ／ 图 2应力一应变处于塑性范围 图 3稳态循环 一s曲线主要反应材料的稳态循环应力一 应变曲线描述了当材料的瞬态行为达到了相对稳定状态时的 应力一应变关系。 J ／／／| ／／／ 图 3 稳态循环 or--oo曲线 第一次循环的 一 曲线称为骨架曲线。如图4用屈服 强度增量来表示直线段的变化，则第 i次循环的屈服强度可表 示为：在 R=-I时，钢棒材的疲劳极限时 279．3MPa。在工程设 计中，以材料的抗拉强度达 600MPa，屈服强度 355MPa来设 汁。实际工程材料由于其瞬态特 不同，它们的循环应力一应 变曲线的形状是不同的。 2．2理 论计算 承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时，壳体 46 会突然失去原来的形状 ，被压扁或出现波纹 ；载荷卸去后，壳 体不能恢复原状，这种现象称为外压壳体的屈曲或失稳。 Pl， ，尸=I △s 图4瞬态循环 口～ 曲线的几何形状 1)受轴向压力的管件 受均布轴向压缩载荷圆筒的临界压力为： cr= 、／ R 2)临界长度