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鋼箱梁入門系列漫談(七)鋼結構核心問題強度、穩定、疲勞

  

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(本文轉載自:橋何名歟

美橋欣賞

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意大利 Constitution Bridge

 
 

 

鋼結構最常見的三種破壞形式對應著三大核心問題:強度、穩定和疲勞。

 

1)受拉構件的強度破壞(屈服)

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80+139+80 上承式鋼桁組合梁(破壞前)

 

 
 
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80+139+80 上承式鋼桁組合梁(破壞后)

 

2)受壓構件的失穩(屈曲)

 

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受壓構件失穩(屈曲)

 

3)受拉(拉壓)構件的疲勞開裂

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Silver Bridge

 

強度

 

構件在穩定平衡狀態下由荷載引起的最大應力是否超過材料的極限強度。

 

鋼材受拉破壞內因是鋼材大范圍的屈服,外因是荷載使構件內力過大,以屈服點作為制定截面最大應力限制依據。

 

穩定

 

 

只要構件受壓,終究不能離開穩定問題的困擾,這也是拱橋跨徑小于斜拉橋、斜拉橋跨徑小于懸索橋的主體原因。

 

 

穩定實質上是外荷載與結構內部抵抗力間的不平衡狀態,在微小干擾下結構變形急劇增長的狀態,是一個變形問題。

 

內因是材料特性、構件長細比、支撐條件、初始偏心、殘余應力。外因是荷載使受力構件所受到的壓力,以構件的壓潰強度為依據,借此制定應力限值,并以荷載使該構件所產生的壓應力不大于該限值。

 

穩定問題包括整體穩定與局部穩定。

 

 

1)局部穩定

 

受壓構件通過寬厚比控制局部穩定,寬厚比過大,設置加勁肋解決。加勁肋設置后根據加勁肋的剛柔性計算局部穩定折減面積,得到局部穩定折減后的驗算面積。如下圖(《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64-2015)圖5.1.7)。

 

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2)整體穩定

 

受壓構件整體穩定轉化為類似強度驗算,以軸心受壓桿件為例,將驗算面積(局部穩定折減后的有效面積)乘以一個小于1的系數(此系數根據桿件截面類型及相對長細比根據下圖得到),控制總體穩定應力小于容許應力。穩定折減系數如下圖(《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64-2015)附錄A)。

 

 

疲勞

 

只要受拉,構件就有疲勞問題,裂紋隨著拉應力的變化擴展,所以受壓構件不需檢算疲勞。受拉或者是拉壓交替就會有裂紋擴展的危險,就需檢算疲勞穩定。

 

疲勞破壞一般經歷三個階段,裂紋的形成—裂紋的擴展—迅速斷裂。

 

鋼結構原始缺陷、裂紋在重復或者交變荷載作用下的不斷開展以及最后達到臨界尺寸而出現的斷裂;構件可能首先疲勞破壞,材料強度沒有充分利用。

 

導致疲勞的荷載主要為活載,因為活載是一種循環次數多的高周疲勞荷載;有些結構溫度、風力變化也會引起疲勞問題。

 

實際上任何結構都有內在的微小缺陷,這些缺陷本身就是一種裂紋的存在,微觀的世界中客觀存在著,就像沒有完美無暇的鉆石。

 

疲勞主要與應力變化幅密切相關,我國規范采用名義應力法研究結構的疲勞特性,疲勞檢算主要是檢算相應疲勞細節的應力幅。

 

135編輯器

總體而言,

拉桿(受拉區板件):強度、疲勞控制。

壓桿(受壓區板件):穩定控制。

拉壓桿(正負彎矩交替區板件):強度、疲勞、穩定控制。

后續將對這三個問題予以詳細闡述。
 

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