起重机钢结构的疲劳计算‘伪‘~‘~~‘伪,“,~西南交通大学〔摘要〕起重机钢结构的疲劳寿命计算周志盆曲季浦伪~。~~~~。。。~。~可采用应力比法或应力幅法,文章对两种方法的计算原则进行了剖析对美国NCHRP机构利用不同材质与不同结构形式钢梁所作的疲劳试验作了详尽介绍认为焊接结构的疲劳寿命主要取决于应力幅和连接形式与最大应力应力幅法应力比和钢种的关系不大建议我国起重机设计规范改用应力幅法关锐词:起重机钢结构疲劳计算应力比法对钢结构进行疲劳计算法或者应力幅法法可以采用应力比先通过试验确定应力比夕二一l不同连接形16Mn,其中应用更广泛的是应力比,式和不同钢种(通常包括力比和循环次数的影响A3一,及钢)以美国为例,沿用应力比法已有近10年,。〕然后再计人应的疲劳许用应力基本值【的历史直至1967年8月提出的盖板有补强板才认为焊接结构的疲;的焊接梁疲劳试验报告(1)应力比影响参看图劳抗力与应力幅的关系更密切随后美国钢结,l,J,〔将疲劳曲线简化为由四段折构规范便从应力比法改为应力幅法但非焊接线组成的与横坐标轴围成一封闭多边形在多的钢结构保留应力比法应力幅法的,,不论是应力比法还是边形内为安全区由坐标原点引出的射线代表,它们的应力循环特性参数是一致『m.,一确定的应力比值与此多边形相交的纵坐标,都是由最大应力和最小应力:a二。两值就是该应力比的许用应力半幅值算疲劳许用应力值从而可换个独立变量演绎出来的即,(l)应力比应力之比,为绝对值最小应力与最大压应力取负号,横坐标轴的应力比强度,=十l,代表静力拉应力取正号图中,CE两点的横坐标是根据强度33,二口二,/a一,(1)为最小应力与最大应力1+“一极限几确定的FEMa,并考虑疲劳许用应力安全系数1我国起重机设计规范E(2)平均应力IDN1508和1一的代数平均值口州均将点的横坐标选定为固定值(,09十口二夕-a数差,=2一厄一几(2)),它是从材料压缩强度极限为拉伸强度极限12倍得来的因而是不妥的参照上述规(3)应力幅△“二“~为最大应力和最小应力代一一“二、二(l)。。护(3),(4)应力半幅a为应力幅的一半=1一.a二。一丁川22ma(4)c立下面分别讨论这两种方法1应力比法O万几076凡业疲劳强度计算式为‘一:图la。.疲劳图口〕《〔,‘,r二(5)并考虑应力比0A([a一i〕)B([a[a叮]〕〔口〕式中〔为疲劳许用应力~/连接形式《循环次数和钢种的影响i”2(22)计算时首U吸一-代了一、芯[口j一不犷一一]\\/刃Z妞,运抽机械》衰1应力比·考虑应力比?的浪劳许用应力拉K,一伸一习镊)制’毛。!〔一J〔片黑斋!a〔2口〔t〕1一护根据起重机设计规范寿命系数C,习帐)制’,(9)K,分为4级一〕〕,2一冤l、由表2查取『〔-〕/f叮0375口‘,‘二‘1\\,/e二之丽动瓦N(一。)。N=Ifr以上各式的。,为疲劳极限,,X01为疲劳致伤循环次数为在起重机设计寿命期范,AB。线段的斜率取为一02AD线段斜率,内总工作循环数级0按起重机设计规范分为1取为似此图中五个点的坐标已定就不难写出四段折线的直线方程式当表1公式中的二0如表l疲劳强度计算式可写成以下形式。二便得到脉动循环叮a=〔/C《〔二〕,:,,(sa)的疲劳许用应力:2应力幅法拉伸脉动循环压缩脉动循环〔a。0二167」〔a一」JL为研究钢结构的疲劳特性、乃了O产美国NCHRP。一=2〔[。〕〕(公路研究协作机构)于1970年和1974年先后发〔=12三〔〕a表了102号和147号两份疲劳试验报告l两次试7构件受压比受拉抗疲劳能力强出现裂纹的现象很少见展缓慢,在受压区,验分别在1966年10月至1969年月至1972年12月完成梁月和1970年,即使出现裂纹也扩共计试验了531根钢因此当夕)O受压区可不进行疲劳强度验算应用寿命(1)试件特征31根试验钢梁被做成不同的结构形式5(2)循环次数影响Miner线性累积损伤法则估计疲劳其中以56根焊接工字形板梁和57根上有补强板的型钢梁较为简单下盖板即当损伤率总和等于1:表示构件或其以此两种为例,连接点达到疲劳破坏¹工字形板梁板9用三块板组成上m下盖,smox1715mm,腹板7lmmx332mm梁式中次数丫婆~IVn‘一二1(7)。‘长3200为主板x4mm翼缘贴角焊缝4sm及N分别表示应力水平在结构º盖板有补强板的型钢梁,以轧制工字钢上实际作用次数和单独作用时的疲劳致伤循环在上下盖板的顶面与底面焊接补强根据疲劳曲线可得如下关系式:工字钢梁高3556mmm,腹板厚7lmm,衅N。N交C(常数)季:(8)盖板宽173mll4mm、厚94mm补强板尺寸143mm上列式(7)可改写成12192mm梁长32004mm补强板贴角炸缝6mm板的一端无横向贴角焊缝A36黔势y写一塑『纵向贴角焊缝在此中断两种试件分别用一住。ly口jy(a=248Mpa)叫N、二习下厂、,\\ni石蔽二少不」‘[又,一气n二IA441(a二290Mpa)及A514(,二630MPa)三种钢材制造每种钢材19根式中m可定义为应力指数对钢结构取(2)加载方法,Nl“l少,是疲劳致伤循环次数:在简支梁跨度内的两点加载应力达到设定值使测试点的起工机载荷谱系数K表3是有补强板型钢梁的加1992(12)《起盆运输机械》衰2起重机工作级别,等效循环次数NK璐命A3系橄C,A2一6A一…!一一A7一一x“一一A只08x10‘16又10‘1320x10‘!63x10‘1l25x10“2}50、1015}100“丫10,寿命系数C0253205}638载应力(MPa)及应力比,的出,工字形板梁选择,。‘与△a为另一组数据3,在此不再列门,l其应力幅设定值比表a‘的大表八a3的最小时;山\\逞只芝馨应力取三个水平,应力幅取五个水平进行组合每组做3一4个试件表3有补强板型钢梁的加载应力及应力比丫P。11。一应“‘·……J…155一82一137一165。|卜lJ4丁口.“以压应应以压应力为主力为主689965甘一0600一043一03331匕口0701盛Ja.“68996512410151701793_-一一一l乙J_了O」_(,一」一夕l口致伤帕J呀次数军2(次,夕a002001411090077…1241151717932069接近A366屈服限夕1056}045}038}033最小应力口‘对焊接结构疲劳强度的影响均值回归线5%保证率时95%置信度一一9In工字形板梁有补强板型钢梁图(将3A)疲劳试验结果63钢焊接工字形板梁和有补强板型按三个最小应力水平和五个应力幅—△—口—O——41aaa二i=二;m691396OMPaSMPa6MPa=二—口—O—一△--aoi.=考113694MPaSMPaOMPaaai二‘=钢梁试件纵坐标轴,将屈服限相差悬殊的三种钢材和A5,A36A水平加载的几组试验数据数坐标图匕如图绘制在以应力幅为可以看出41试样的试验数据绘制在双对数以致伤循环次数为横坐标轴的双对2坐标图上如图3由图可见,钢种对焊接结所示,数据分构的疲劳强度影响也不大3可知控制捍接结构别聚集在五个应力幅水平上同一应力幅水平疲劳强度的重要因素应是应力幅和连接形式的试验点具有接近的疲劳寿命么影响尽管试验的最,,残余应力的影响,小应力最大应力和应力比相差悬殊但没有什另外,残余应力是在焊接冷缩过程中遇到抵抗引焊接工字形板梁居上方,:有补起的大,当构件尺寸大焊缝小,冷缩阻力便可以看出,强板型钢梁居下方说明疲劳强度与连接形式焊接结构的疲劳强,残余应力也大y图4是消除与未消除残余有关力,于是可以得出结论应力焊接试件的疲劳曲线对比应于应力比对度是由应力幅和连接形式决定的最大应力和应力比关系不大与最小应<0的试件,,,残余应力的影响,或者说无关大,,》0的试件影响较小系也是可以接受的《疲劳试验证实1992(12试件的疲劳开裂都发生在拐,运.机摊,)卸载后由于力平衡点的部位在内包括残余应力己达到屈服,。‘整个焊缝应力普遍减小最小应力为(a时应力幅一a‘)当再次施加应力a‘时最大应力成为(。口匀才一芝d只暮讨一。‘+a)‘一氏当反复受力它的加载过一、气△口一a‘(2)对称循环(。‘,y一一l)程可视为先施加应力达屈服限压应力一。/2拉应力。一使焊缝区最大a。然后卸载至零并施加(a/2)‘‘/2则最小应力为十(一a/2)一民当施加(一。‘/2)压应力时最大应2汀“力变为(a二一a)丰a‘/2‘干a矶反复受力0510一口」时保持应力幅△。一,,致认帕州久议入,)‘次、根据上述分析可以绘出图5所示加载应力循环与残余应力迭加图钢种对焊接结构疲劳强度的影响一一均值回归线5%保证率时95%置信度一一9I一工字形板梁n板型钢梁一有补强一A36AllA14△0门一5图由图可见,不论加3载应力循环的应力比多大△。),,最大应力和址小应力是与焊接残余应力迭加后都转化为相同的,应力循环最大应力为民夕=l一最小应力为(a).-——应力比为(△。/a表明该应力八。循环的特征值仅与加载应力循环的应力幅、\\)\\T。囚!//白\\一声户一L气一刀绳周期亡侧b只凡,尸/一、~~刁勺刁洲夕\\J泊阴图丁-4残余应力对疲劳强度的影响1一消除一未消除残余应力并沿着垂受拉区炸缝的微细缺口或焊缝边缘直于拉应力方向扩展当扩展到只是受压区域时会自行停止因此疲劳强度验算的范围可限于承受拉应力或反复应力的范围内的拉应力即使很小力作用下扩展反复应力但焊接缺陷会在残余拉应,只均呢仍应进行疲劳强度验算:关于焊接结构的疲劳强度受应力幅控制可用残余应力来解释(服限氏i)脉动循环(丫=0)现设想对结构图52施加拉应力矶,焊缝区内残余应力未达到屈,加载应力与残余拉应力迭加图的部位应力增加量为氏已达到屈1一一加载应力循环应力比为叭一一加载应力与残余拉应力迭加的应力循环服限部位的应力不再增大只是加大塑性区应力比为协《拐皿运轴机械》1992(1幼有关无关,而与它的最大应力最小应力和应力比更为合理,即对于焊接结构用应力幅表达疲劳抗力4才是合理的(2)焊接结构常幅许用应力幅根据线弹性断裂力学原理采用裂纹扩展,疲劳计算△a二a二速率的Pa一ris一Erdogn公式来估算疲劳寿命a=C(AK:应力幅法疲劳强度计算式。二ida/dN,)(13),△,j《〔(12)式中Koa为裂纹尺寸K二,,N为循环次数由试验确定△K=式中[△a〕为许用应力幅一为裂纹尖端应力强度因子变化幅(l)疲劳曲线由图2及图3可知值疲劳试验数据的均值0,C和。为参数△K的表达式为△K=Y1回归线在双对数坐标图上(9△。一logN)是△a侧二a(14)直线,如图6所示__该直线斜率的倒数为:式中式,Y为裂纹几何因子对于给定的连接形logN109△a:一10gNZY一可视为定值一故可得△a,N=2)与式(8)进行对比将式(1验结果证明式(8)的a改为式(12)的△。一△a109△a;14将式()=C13代入式()~c积分后可得N了=△。rNZ(12)式中寸则l::a一一业一一二a(Y侧)a:A口N,由新疲劳试和a分别为裂纹初始尺寸和最终尺和a在确定位后:上式左边为常值l划剑训Z)(尹勺N场碗八a·N=C(常数)对比(15)可知断裂力学分,f:匀卯乏匆N‘125)与式(1将式()副图6一一Ne对一一△口析结果与新疲劳试验的结果一致15)的与式(△。说明用应力幅表达焊接结构疲劳抗力是恰当的关系线式(12)都是试验数据平均值考虑gN双对数坐标图上N到试验数据的离散性许用一3A取平均值减去2o倍I表4起重机工作级别等效循环次数0等效应一卜下‘力幅A4104a〕[△8x1016x10‘}32x103·}}A。105125X…}25A6·‘05{}}望1A,505AS‘·‘““。等效许用应力幅以a〕(MP)l2341940861火101010101224342337333263522297724223552062502041871633210017114881300x122288829772599326K122218x1567147x1010101012235883111344427332866公482181872271977173314990180157713811881433]24410911449998770096x1226541火120x12371295234944《起皿运抽机械》1992(12)的标准差25作为疲劳强度下限值构件或连N根据起艰机设计规范给定的N及K,值接的抗力保证率为977%则许用应力幅按下N/m(GBJ17m计算出起重机8个工作级别的等效循环次数7)算出相应工作级别不同连1再代人式(4式计算:[Aa]=岁C/N)m(16)和C从接形式的等效许用应力幅值如表进行变幅疲劳强度验算时幅[△a〕按式(17)我国钢结构设计规范一8将构件和,可根据起亚机工作连接分8类,对式(6)的参数值1NCHRP级别和连接形式由表4直接查出等效许用应力表4查取;N为在设计寿命期的循环次数:本文引用美国工字形板梁25,报告中提供的两种(4)非焊接结构疲芳计算非焊接结构不存在高残余应力试件疲劳曲线下限值的直线方程式为lgN+3可采用丫》0,372lgAa=13697-应力比法计算由图4可见,应力比S=0147的同号应力因残余应力对疲劳强度影响不大253参数C=11387xl0”,m=3372”3可按焊接结构用应力幅法计算的变号应力法但对,夕<0有补强板型钢梁lg一N十28”饱Aa-残余应力影响较大,,按焊接结可将表l应25,S二0068构的应力幅法计算便偏保守x应采用应力比参数C二表C4178210’‘,m2877“3,为了统一用应力幅法表达中m=3是3~8类连接形式亦即上以,力比计算公式进行折算以表中左下式为例衡量疲劳强度可见工字形板梁强度高,有补强板型钢梁低可提高强度下盖板增加补强板因此受疲a「〕,口一,167〔〕1一但对疲劳寿命是削弱(卜台盖),夕以。一二038a,劳强度控制的结构应按疲劳原理进行设计代入可得【]=ll7肺6一〕_(3计算式为△。二)焊接结构变幅疲劳计算[△。〕1一037,_1巨1一037aa..抽“起重机钢结构应按变幅疲劳计算疲劳强度一厂△,〕=七C/N《〔(N/m;m’)(17)a〔们,,竺些037竺根据疲劳强度条件a二权口口“式中环次数△a月为等效许用应力幅「,N为等效循与可得表5中左下式。二一073a二《即以最大应力幅可得△叮二Na。为常幅[△a〕变幅疲劳效应相当的循环次数由式(17)以压应力为主的应力循环比以拉应力为主的应力循环疲劳强度高‘=△口丁N一C但应力幅法认为只要,△。相同,疲劳强度就相同?对此应进一步进5r将上式代入Mine线性累积损伤法则式(7)行探讨本文暂按应力幅法统一采用表中的几=‘‘“N丫则等效循环次数为“、‘“,nA口丁_‘八a:N丁万A仃Tn口:N;_左上式作为<二0的非焊接结构疲劳强度计算:式并考虑变幅疲劳计算Aa二a一067a。;△。」《〔(19)。「口。/△、n刁N二N万}《二竺兰i一)斗习!=NK一L\\八口二/N。(18)衰5应力比1y用折算应力幅衰达的表1应力比法公式式中数,N,为起重机设计寿命期内总工作循环为起重机载荷谱系数,拉a.伸67a0压83(口.缩一K则K,△a、n门、f/P、n〕=》}f上竺三一》笔冬{=》}f=牛仁l笔冬}‘‘“‘‘“L\\L、△a。/NJP。/NJ‘,镇0一0口一。厂/簇[八a〕口a]簇[么y(ga)>0二一037口.1083(a.一八a〕簇〔簇0从口[八a〕一心拐,运抽机械》192(12)将应力幅法的应力幅0ao。二,与表5,(v<0)偏于不安食,对于同号应力循环(,应力比法的折算应力幅对比可见对于,叹>0)又偏于保守不能确切反应焊接结构的疲应力幅法的限制比应力比法吏严更加安劳强度全与图4是吻合的,这也是焊接结构应改用夕《0美国1969年的年的AASHTOCMAA冲7及AISE,冲6应力幅法的理由之一的主要组成是疲劳强度计算起重机钢结构规范就列人了应力幅法公路桥到1974SC对于,>l,折算应力幅较高AREA铁路桥和AI,表明应力比法偏于安全它与图4的试验结果钢结构设计规范都采用了应力幅法法,美国德不符可能由于图l简化疲劳曲线造成的4国以及我国钢结构规范也相继采用了应力幅因此建议我国起重机设计规范对于钢结构结论,本文的主要论点是非焊接结构的疲劳计算可采用应力比法焊接结构应采用应力幅法,的疲劳计算早日改为采用应力幅法今由于采用应力幅法焊接结构的疲劳强度只与与结构自重等固定载考文献移动载荷和动载荷有关荷无关明它在计算应力幅时己被排除,试验证疲劳强度与钢种的关系不大因此以疲劳,强度控制的结构用高强度钢材制造不经济近年来以梁为试件的疲劳试验证实影响捍接结构寿命的主要因素是应力幅和连接形式念这就否定了应力比法用最大应力表征焊接,3起重机设计规范GB381一8.7一88钢结构设计规范GBJ1费希尔JW著钱冬生译钢桥疲劳设计解说:.北京人民铁道出版社1980钱冬生编著钢桥疲劳设计成都西南交通大学出版社1986魏明钟编著钢结构设计新规范应用讲解北:京中国建筑工业出版社19L:黄耀怡实用钢结构计算与设计北京中国铁结构疲劳抗力并与应力比和钢种有关的概应力比法对于变号应力循环本文表明,道出版社1991大连起重机械研究所起重机钢结构部分设计规宋1981纹车制动轮联轴器的改进沈阳铁路局锦州工程处钟光奇A3我国中小型绞车目前大多数采用带制动轮传动块由夹线橡胶板和铸铁或钢两部分组弹性柱销联轴器器l见图l此联轴器由半联轴2制动轮4和带弹性元件3的圆柱销,组成它具有一定的缓冲作用允许微量角偏斜及轴向移动由于它们负荷变化大,频繁启动和经常正反转使弹性圆柱销与半联轴器销孔间厂「!受力不均下最大受力点处在三向复杂应力作用圆孔磨成了长孔使用一定时间后修补捍接也很困难找正很费时间往往只好报废另外安装时6「门131图艺对弹性圆柱销与孔不易准确对中安装维修时图半联轴器弹性元件2为此,我们对制动轮联轴器进行了改进销主要是取消了原有的弹性圆柱4圆柱销制动轮半联轴器方形传动块一!23弓单一刚性先1动轮用具有一定抗压抗剪和耐磨的材料制成的弹一刚性方形传动块2《(见图2)代替此(卜转第2页)起盆运翰机械》1992(22)HOISTINGANDCONVEyINGNoMACHINERy121992AbstraetsP3FatigoueealeulatiomdenotufreeraneonmetalstrueatureearrCaleulationstressofineranetalstruefatiguelifemybeoiedoutaeeordingib15estoeithertastrssratoiueoramPlituderelaotestruetureT五15raPaPeroanalysesbthenmtethodsandwdeserineodei]thefatigAmitsastestfcranegirdTheeanermthoadefdifferentsoutgdefsteelewithdifferodesignhiehasmPletedebybyeieanNCHRPaauorpoindoestthatthefatigutolifewithfweldedaxstrueuture15maninlydetermintressradwstrsersmPlituddjimanteignandehaslittldoitsmnruimomstressdtioasllathesostr,tsofsteeleit15dfThePaPeroProPorasestheDesiglesferanevalidinoureountryPPIyamPlitudmethodinsteadafstresstiomethodP10StabiliztionofmnainweboferaneboxgirderundereombinedboundaryeonditionThispaPerPresenbouboinntsealeulatiotheofwheelloadedmainmweboferaneboxgirdertooningbueklvarundereoubinedxodryeonditionditiouthroughauseofRitzfiniteoreeostripeonetohdIneeordermeeetiouseoambinatonifundarythocononatomkeantheProgramigremtriemmtheadisPlmentfunetionen15aPProximotelyPresenstedorglPolynomialsdtronomefuthenetoniComParedowithfiniteweorlemtmethdandfinitetripemethodthegivenmnesethoandeutsmarkablynoamesountfeaeullationkP15TomaDkeesigddealculatiolatioeftravlinglellingy、temsysteomeofleetrieforkforkiftloIifttrukmoreekaeeuratestheignearulnaoftravesfaneetreilsertruethisPaPerPr0P0ses。aseveraerlmatchingforUqrtontiformharaeteristiesofDCminroaaiesmotortrusedinntraverallingystemeT恤leulationofPowfanneededavellingonotorthedeetertiontheuterfansmissioootitheheekingaealeuoverlatioeanotravellingowithfullloadllignsPlaneParaandinlineddeheekingPeeeeresenfminotoroveroalding叼-hntigdCADoafcetraveystemmetersonmireroeomParetedthePPaerP20AnaLlysingdfluufltuationtuationeaurlculatioerrnforofoufabrarluffingmhanismthisIoadsuedingdiekingeofouobarIuffingmsteehanismustPaPerPoinintotsouthttiatw五enealeulatehfluetuationthevaluethaemPenonsationfrlwireeraneroPembetakeneonsidera姐This15Provenbymeasuringaetulvauesla25tPortalP23Famioctorstinflu运eneaingoveralleharaeeoteistieseofIoadnetonimomentlimiteryanLoadmenlimitereertasafetyde丫ieewithdbyfalwsetorsmPrehensiveefuanTheaeeuraedreliabilityinoworkfOeanthetimdee丫eeare访lyrerestrietetheebot五meoneahanilodeleetrieal15theeeerWhthsensorsftheimitllyandreliablyaoafleetreaorkingorditionftheet五eranekeyPoinaetertsoofitstheeorreetfunetinoi刀gT五15PaPerlyse.。st五faetorindertoimProveoverallharistieflimiterEditedby:EditorialofficeofHOISTINGtANDCONVEYINGTel:onsuraMACHINERYAddVieress:e52Yongheg:ong一*reeenBeijn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