1)应力集中

应力集中是影响疲劳性能的重要因素。应力集中越严重,钢材越容易发生疲劳破坏。应力集中的程度由构造细节所决定,包括微小缺陷、孔洞、缺口、凹槽及截面的厚度和宽度是否有变化等,对焊接结构表现为零件之间相互连接的方式和焊缝的形式。因此,对于相同的连接形式,构造细节处理的不同,也会对疲劳强度产生较大影响。根据试验研究结果,《钢结构设计标准》(GB50017—2017)将构件和连接形式按应力集中的影响程度由低到高分为8类(见附表6),第1类是没有应力集中的主体金属,第8类是应力集中最严重的角焊缝,第2至第7类则是有不同程度应力集中的主体金属。

2)应力循环特征

连续重复荷载之下应力从最大到最小重复一周称为一个循环。应力循环特征常用应力比ρ=σmin/σmax来表示,拉应力取正值,压应力取负值,如图2.11所示。当ρ=-1时称为完全对称循环,如图2.11(a)所示;ρ=0时称为脉冲循环,如图2.11(b)所示;ρ=1时为静荷载,如图2.11(c)所示;0<ρ<1时为同号应力循环,如图2.11(d)所示;-1<ρ<0时为异号应力循环,如图2.11(e)所示。

图2.11　疲劳应力谱

3)应力幅

应力幅表示应力变化的幅度,用Δσ=σmax-σmin表示,应力幅总是正值。应力幅在整个应力循环过程中保持常量的循环称为常幅应力循环,如图2.12(a)所示;若应力幅是随时间随机变化的,则称为变幅应力循环,如图2.12(b)所示。

焊接结构的疲劳计算宜以应力幅为准则,原因在于结构内部的残余应力。裂纹的起源常在焊趾或焊缝内部缺陷处,而焊缝处及其近旁残余拉应力高达屈服强fy。因此,对于焊接结构,只要应力幅相同,对构件疲劳的实际效果就相同,而和应力循环特征ρ或平均应力无关。应力幅才是决定疲劳的关键,这就是应力幅准则。(www.daowen.com)

对于非焊接结构,由试验可知,对于ρ≥0的应力循环,该准则完全适用;对于ρ<0的应力循环,该准则偏于安全。因此规范取式(2.8)计算非焊接结构应力幅:

式(2.8)在应力循环同号时稍偏安全。

图2.12　疲劳应力谱

4)疲劳寿命(致损循环次数)

疲劳寿命指在连续反复荷载作用下应力的循环次数,一般用n表示。应力幅越大,产生疲劳破坏的应力循环次数越少;应力幅越小,产生疲劳破坏的应力循环次数越多,当应力幅小到一定程度,即使经无限多次应力循环也不会产生疲劳破坏。