結(jié)構(gòu)疲勞是指在交變載荷作用下結(jié)構(gòu)中裂紋的形成過程。

疲勞和斷裂往往結(jié)合在一起，不能截然分開，斷裂主要指裂紋的擴(kuò)散過程。疲勞研究包括疲勞分析和疲勞試驗兩個方面，主要內(nèi)容是，交變載荷作用下結(jié)構(gòu)中裂紋形成、擴(kuò)展的規(guī)律，帶裂紋結(jié)構(gòu)的殘余強度，估計結(jié)構(gòu)壽命和設(shè)計延長壽命的方法。開創(chuàng)疲勞研究的是德國的A.沃勒，他在19世紀(jì)五六十年代最早得到表征疲勞性能的S-N曲線，并提出疲勞極限的概念。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析時，一般包括以下五個方面：

1、疲勞載荷的確定

結(jié)構(gòu)所承受的載荷可以分為三種：

基本載荷，主要指設(shè)備在正常工作情況下通常出現(xiàn)的載荷(如結(jié)構(gòu)自重、物料載荷、永久性動載等);

附加載荷，主要指設(shè)備運行或停止時可能斷續(xù)出現(xiàn)的載荷(如設(shè)備工作風(fēng)載、摩擦阻力、運行阻力、非永久性動載等);

特殊載荷，是指在設(shè)備工作和非工作狀態(tài)時不應(yīng)產(chǎn)生，但又無法避免的載荷(如非工作風(fēng)載、結(jié)構(gòu)碰撞、地震載荷等)。

疲勞計算時只需考慮基本載荷，而且對于物料載荷或其它的基本載荷，有的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中還規(guī)定了疲勞計算時載荷的縮小系數(shù)。

2、循環(huán)次數(shù)的確定

同一結(jié)構(gòu)，所考慮的疲勞載荷不同時，其循環(huán)次數(shù)也不盡相同，這主要是因為不同的疲勞載荷產(chǎn)生的原因是不同的。例如，對于堆取料機(jī)來說，考慮物料載荷的擾動影響時是指傳送皮帶上物料的有無;而考慮永久性動載的擾動影響時則是指設(shè)備在工作過程中的正常啟、制動，即便是同一結(jié)構(gòu)的同一載荷，針對不同的工作工藝流程，其循環(huán)次數(shù)也是不同的。所以，設(shè)備的工作工藝流程是不同載荷循環(huán)次數(shù)計算的決定性因素。當(dāng)載荷的循環(huán)次數(shù)確定后，首先應(yīng)該判斷其對結(jié)構(gòu)的循環(huán)擾動作用是否足夠多，當(dāng)循環(huán)次數(shù)N≤103(104)(低周疲勞)時，無需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞校核。

3、構(gòu)件焊接形式的選擇

工程中的鋼結(jié)構(gòu)多為焊接結(jié)構(gòu)，構(gòu)件的疲勞強度除取決于結(jié)構(gòu)使用的材料外，還與接頭的形狀和制造方法密切相關(guān)。被連接件的形狀和連接方法會影響到應(yīng)力集中的形成，從而使構(gòu)件的疲勞強度大為降低。不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在經(jīng)過大量試驗的前提下，給出了針對不同的焊接接頭形式的構(gòu)件疲勞強度(如圖1，為AS4100-1998標(biāo)準(zhǔn)中所列舉的針對載荷循環(huán)次數(shù)為2×106構(gòu)件的焊接形式及其許用應(yīng)力幅值，左邊的數(shù)字便為其疲勞強度值，單位為MPa)。因此，如何根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際焊接形式恰當(dāng)?shù)貙φ諛?biāo)準(zhǔn)中的焊接類型來確定結(jié)構(gòu)具體部分的疲勞強度值，也需要一定經(jīng)驗的積累。

圖1 構(gòu)件不同焊接形式的疲勞強度

4、有限元計算時應(yīng)力的取值

結(jié)構(gòu)按不同計算工況用有限軟件計算完畢后，在后處理中可以選擇的應(yīng)力有很多種，究竟以哪種應(yīng)力作為疲勞強度校核時的參考應(yīng)力很值得探討。在美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中明確提出，對于整個應(yīng)力范圍內(nèi)全部承受壓應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，無需考慮結(jié)構(gòu)的疲勞強度，因為這種情況下裂紋不會擴(kuò)展出焊縫殘余拉應(yīng)力以外的范圍。由此，應(yīng)力的取值應(yīng)該區(qū)分出正負(fù)值，所以原則上來說，針對不同的結(jié)構(gòu)部位，只有主應(yīng)力才能夠嚴(yán)格地區(qū)分出結(jié)構(gòu)局部承受的應(yīng)力是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力。按板殼單元計算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力時，還有點的應(yīng)力應(yīng)該取值于板的頂面、中位面還是底面的問題。由于板殼的同一點在同一工況下當(dāng)其在頂面上表現(xiàn)拉應(yīng)力時，而底面上則可能表現(xiàn)為壓應(yīng)力，所以對于同一點，校核其疲勞強度時，該點的最大應(yīng)力及最小應(yīng)力值的取面應(yīng)該保持一致。

5、許用疲勞應(yīng)力的確定

就目前不同的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來說，疲勞計算常用方法可分為兩種：

應(yīng)力比法，一般無較大殘余應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，如已消除殘余應(yīng)力的焊接結(jié)構(gòu)或用螺栓、鉚釘?shù)冗B接的非焊接結(jié)構(gòu)，適合用應(yīng)力比法確定其疲勞特性(目前采用應(yīng)力比法的有GB3811、ISO5049、FEM、DIN、BS等規(guī)范)。

應(yīng)力幅法，對有較大焊接殘余應(yīng)力、較多焊接初始缺陷的焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)力幅法比應(yīng)力比法更能反映其疲勞的實際狀態(tài)(目前采用應(yīng)力幅法的有GB50017、AS、AISC等規(guī)范)。

由二者的名稱，可以明顯看出其區(qū)別所在，應(yīng)力比法疲勞強度確定的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)某點最小主應(yīng)力與最大主應(yīng)力的比值;而應(yīng)力幅法疲勞強度確定的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)某點最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的差值。采用應(yīng)力比法確定結(jié)構(gòu)疲勞強度具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)是FEM起重機(jī)設(shè)計規(guī)范和ISO5049移動式連續(xù)散料搬運設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范;而采用應(yīng)力幅法確定其疲勞強度具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)是AS4100-1998和GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范