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海外工程十五年之一一二——国标《钢结构设计标准》的一个错误

《钢结构设计标准》GB50017-2017执行以来,发现许多错误。近日,本人疲劳设计之需要,发现式(16. 2. 2-3)实在是太错了。花了一天时间,进行深入研究。推导出一个正确的公式。

       该式主要错误物理意义不对,且与上下限均不衔接,与条文说明的图-46无法对应。且图-46的坐标中应加对数。见文中修改。

关于疲劳计算的基本概念

   (1)钢结构构件和其连接在很多次重复加载和卸载作用下,在其强度还低于钢材抗拉强度甚至低于钢材屈服点的情况下突然断裂,称为疲劳破坏。由于疲劳破坏是突然产生的,属脆性破坏范畴,事先无警告,危害性较大,在对承受重复荷载的钢结构设计中,特别是在工作繁重的吊车梁、吊车桁架和工作平台梁等构件或结构的设计中应给以注意。影响钢结构疲劳强度重要因素之一是应力变化的循环次数。我国钢结构设计标准GB50017-2017中规定凡构件或其连接的应力变化循环次数n5×104次时,均应对其进行疲劳计算。美国AISC规范则条文说明中指出应力变化循环次数,n2万次时可不计算疲劳,n2万次时即应进行疲劳计算,这比我国规范的规定要严一些。

(2)疲劳破坏之所以会发生,主要是因为构件及连接在其生产和制造过程中,内部或表面常可能存在一些肉眼不能发现的微细裂痕或其他缺陷,使用过程中在应力高峰区也有可能产生一些新的微观裂痕。在多次重复荷载作用下,微细裂痕缓慢扩展,最后发展到削弱了原有截面,使构件或连接因净截面强度不足而突然破坏。在疲劳破坏的断口截面上,可以发现存在以某点为中心、向外扩展呈半椭圆状的光滑区和余下的粗糙区,如图1所示,光滑区的中心即裂纹源。在多次重复荷载作

       

                 

1疲劳破坏断口表面示意图

用下,裂痕的张和闭使裂纹逐渐扩展而形成断口的光滑区,因所余截面净面积不足而被突然拉断的断口为粗糙区。

(3)结构在焊接过程中,最易在焊缝及其热影响区产生微观裂纹,同时也易存在夹渣、孔洞等缺陷;构件在气割、剪切、矫直和冲孔等加工过程中常使构件表面损伤而形成局部缺陷。这些都易促使受力后产生应力集中,出现应力高峰,加之焊接和加工过程中形成的残余应力的影响等,均促使构件及连接的疲劳强度大为降低。因此,影响钢结构疲劳强度的另一重要因素是构件和连接中应力集中大小和残余应力情况,也就是构件和连接的构造型式和加工情况。

(5)疲劳试验证明,当应力比ρ为定值时,使同一试件破坏所经历的循环次数,与试件所受最大应力σmax的大小有关,如图46(见钢结构设计标准条文说明)的曲线所示。图中纵坐标σmax称为疲劳强度,横坐标n称为致损循环次数或疲劳寿命。当n值很大时,曲线趋向水平,表示若σmax低于或等于某一数值σed,致损循环次数可为无限大,亦即此时试件不会因重复荷载作用而破坏。σed称为耐久极限或疲劳强度极限(即疲劳截止限)。应力比ρ变化时,疲劳强度极限也就不同。过去设计中在计算钢结构的疲劳时,规定的计算条件是构件或连接中的最大应力ρ应小于相应的疲劳容许应力,而疲劳容许应力又与应力比ρ密切相关。

常幅疲劳计算及容许应力幅

设计标准GB 50017-2017中对钢结构的疲劳计算区分为两种情况:常幅疲劳计算和变幅疲劳计算。前已言及,所谓常幅是指所有应力循环中的应力幅为常量,见图2(b)~2(e)。规范中对常幅疲劳规定按标准条文如下:

    结论:《钢结构设计标准》GB5007-2017实施已经四年,多遭人诟病,也是理所当然。

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作者: ganggouren

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