大型雕像结构的疲劳分析

2019年10月17日 作者:博仟雕塑厂

由于大型雕像结构中经常存在手臂、飘带等细长的部件,在长期的风荷载反复作用下存在结构的疲劳问题,设计时必须予以足够的重视。

本篇文章博仟雕塑公司将以长沙千手观音铜像的长悬臂手臂为例,主要介绍风荷载中的平均风力部分,并考虑风载的突然消失与作用对结构产生的疲劳影响,将从以下几方面展开研究。

 ①分别计算风荷载作用和消失时结构的应力分布情况

 ②通过风荷载时程谱计算结构的应力时程谱

 ③应用 Miner线性累积损伤理论和名义应力(SN)分析方法,采用 Goodman准则1风载下的疲劳问题

 自然界的风可分为异常风和良态风,对很少出现的风,例如龙卷风,称为异常风,不属异常风的则称为良态风,一般建筑设计中所研究的风荷载为后者,可表示为顺风向风力、横风向风力和扭风力矩三种,而后两种往往引起结构涡流共振,对结构的响应复杂一般钢结构建筑中不单独考虑。

 根据大量风的实测资料可以看出,在风的顺风向时程曲线中,包含两种成分:一种是长周期部分,其值常在10mn以上:另一种是短周期部分,只有几秒,根据上述两种成分,实际上把风分为平均风(即稳定风)和脉动风(常称阵风脉动)来加以分析,平均风是在给定的时间间隔内,把风对建筑物的作用力的速度,方向及其他物理量都看成不随时间而改变的量,考虑风的长周期远大于一般结构的自振周期,因面其作用性质相当于静力,离地面越近,风速越小,脉动风是由于风的不规则性引起的,周期较短,因面其作用性质是动力的,会引起结构的振动,它随高度的增加而减少,脉动风相对于平均风来说要小许多,而且在一定高度范围内的建筑物不可能受到很风荷载动力应。因此一最来说,动引起的结构内力的变化是小应力值循环,不会成然面作用在结构上的风荷载突然消失与风荷载存在时相比,结物的内力变化是很大的,研究结构在这种受力状态下的玻劳问题更有意义。

疲劳分析基本理论

疲劳相关概念

疲劳的定义当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后,应力值虽然没有超过材料的强度极甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏,这种在交变载荷重复作用下材料或结限,构的破坏现象,称为疲劳破坏。

疲劳与断裂是引起工程结构和构件失效的最主要的原因美国试验与材料协会(ASTM)在“疲劳试验及数据统计之有关术语的标准定义”( ASTM E20672)中将疲劳定义为:在某点或某些点承受扰动应力,且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程。

疲劳的分类

疲劳可从不同的角度分类。根据研究对象的不同可以分为材料疲劳和结构疲劳。材料疲劳研究材料的失效机理、化学成分和微观组织对疲劳强度的影响,标准试样的疲劳试验方法和数据处理方法,材料的基本疲劳特性,环境和工况的影响,疲劳断口的宏观和微观形貌等,其特点是使用标准试样进行试验研究;结构疲劳则以零部件、接头甚至整机为研究对象,研究它们的疲劳性能、抗疲劳设计方法、寿命估算方法和疲劳试验方法,形状尺寸和工艺因素的影响,以及提高其疲劳强度的方法。

疲劳强度、疲劳极限与疲劳寿命

疲劳强度的大小是用疲劳极限来衡量的,所谓疲劳极限就是指在一定循环特征R下,材料或构件可以承受无限次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力S,一般用S,表示。因材料的疲劳极限随加载方式和应力比的不同而异,通常以对称循环下的疲劳极限作为材料的基本疲劳极限。

疲劳寿命是疲劳失效时所经受的应力或应变的循环次数,一般用N表示。试件的疲劳寿命取决于材料的力学性能和所施加的应力水平。一般情况下,材料的强度极限愈高外加的应力水平愈低,试样的疲劳寿命就愈长;反之,疲劳寿命就愈短。表示这种外加应力水平和标准试样疲劳寿命之间关系的曲线称为材料的SN曲线。

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