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钢结构工程吊车梁疲劳计算的基本概念

2020-11-30 16:40:48 作者长葛市永益钢结构工程有限公司

  钢结构工程吊车梁疲劳计算的基本概念:疲劳是钢结构工程吊车梁构件特有的一种受力机理与致损主因,进行梁的疲劳计算时,应了解以下的基本概念:

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  一、容许应力的设计准则

  由于现阶段对不同类型构件连接的疲劳裂缝形成、扩展以至断裂这一全过程的极限状态还研究不足,同时试验研究表明,梁疲劳损伤的扩展并非最大应力控制,而是由应力循环的最大应力幅(循环中最大应力与最小应力的差值)控制,故 1988 年版《钢结构设计规范》 GB 50017-88 即对早期的疲劳应力计算原则与方法作了重要修改,规定了构件疲劳计算应以容许应力幅为控制指标的方法进行计算。

  二、局部应力集中的影响

  工程经验与试验研究表明,在重复荷载作用下,构件的疲劳性能都是由局部应力集中部位的应力状态所决定的。结构焊接部位通常是截面不连续处,此处高额残余应力与应力集中相重叠,形成疲劳损伤迅速发展的薄弱区,故需验算部位多为焊缝附近的主体金属。

  规范对焊接构件按不同连接方式,应力集中与残余应力状态及其对疲劳效应的影响程度,将连接构造划分为 (z1~z14)与 (J1~ J3) 17 个级别,并针对各级别连接分别规定了其相应的容许应力幅作为设计应遵守的限值指标。工程设计中,宜尽量避免选用级别过高的连接构造。

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  三、一台吊车轮压荷载不考虑荷载分项系数和动力系数

  计算疲劳时梁上仅考虑一台最大重级吊车的作用,同时由于按容许应力幅方法计算,所计算的轮压荷载应采用标准值,不考虑荷载分项系数。此外,还由于疲劳计算中所有数据,所以《钢结构设计标准》 GB 50017-2017 中明确规定,计算疲劳时,轮压荷载不乘动力系数。由千上述梁上荷载作用的这些特点,故较小跨度的梁易受疲劳计算控制截面的选择。

  四、常幅疲劳与欠载效应系数

  《钢结构设计标准》 GB 50017 2017 确定容许应力幅时,所依据的试验研究,都是按各项循环为相同应力幅,即常幅疲劳条件进行的,但实际钢结构工程吊车梁(桁架)构件各项重复荷载的应力循环都是不等的应力幅,即为变幅疲劳状态。

  五、不同强度钢材可采用相同的容许应力幅

  试验证明,钢材静力强度不同,对大多数焊接连接部位的疲劳强度没有明显差别,故为简化计算,对各不同强度钢材仍可采用相同的容许应力幅。但当钢结构工程吊车梁由疲劳控制设计并采用较高强度钢种时,此种计算方法的经济合理性稍差,故梁的钢材强度级别以不超过 390MPa 为宜。

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  六、梁上部受压区易出现疲劳裂纹与损伤

  使用情况调查表明,重级特别是硬钩吊车的钢结构工程吊车梁,常在梁上部受压区腹板与上翼缘焊缝区过早的出现疲劳裂纹与损伤。国内外研究一致认为,其主要成因是与轨道轮压对腹板中心的偏心作用,导致该焊缝区受扭产生较大的附加横向应力,加之该区已有较高的正应力与局部压应力形成复杂的复合应力状态;再是此类吊车荷载大,使用率高,疲劳效应强。

  七、《钢结构设计标准》 GB 50017 2017 规定仅适用于高周低应变性质的疲劳

  “现”规定的的疲劳计算方法,仅适用于钢结构工程吊车梁疲劳这一类总应变幅小,破坏前荷载循环次数多的高周低应变疲劳。对千总应变幅大,破坏前荷载循环次数少的低周高应变疲劳,有其自身的疲劳破坏机理特点,目前研究和所积累起来的疲劳数据尚不充分,不能按“现“规定的计算方法进行计算。另外,对于焊后经热处理消除残余应力的结构构件及其连接,因材料性能已发生变化,也不能采用“现”规定的方法进行疲劳应力幅计算。

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