大型雕像結(jié)構(gòu)的疲勞分析

由于大型雕像結(jié)構(gòu)中經(jīng)常存在手臂、飄帶等細(xì)長(zhǎng)的部件，在長(zhǎng)期的風(fēng)荷載反復(fù)作用下存在結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)必須予以足夠的重視。

本篇文章博仟雕塑公司將以長(zhǎng)沙千手觀音銅像的長(zhǎng)懸臂手臂為例，主要介紹風(fēng)荷載中的平均風(fēng)力部分，并考慮風(fēng)載的突然消失與作用對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的疲勞影響，將從以下幾方面展開(kāi)研究。

①分別計(jì)算風(fēng)荷載作用和消失時(shí)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況

②通過(guò)風(fēng)荷載時(shí)程譜計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力時(shí)程譜

③應(yīng)用 Miner線性累積損傷理論和名義應(yīng)力（SN）分析方法，采用 Goodman準(zhǔn)則１風(fēng)載下的疲勞問(wèn)題

自然界的風(fēng)可分為異常風(fēng)和良態(tài)風(fēng)，對(duì)很少出現(xiàn)的風(fēng)，例如龍卷風(fēng)，稱(chēng)為異常風(fēng)，不屬異常風(fēng)的則稱(chēng)為良態(tài)風(fēng)，一般建筑設(shè)計(jì)中所研究的風(fēng)荷載為后者，可表示為順風(fēng)向風(fēng)力、橫風(fēng)向風(fēng)力和扭風(fēng)力矩三種，而后兩種往往引起結(jié)構(gòu)渦流共振，對(duì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)復(fù)雜一般鋼結(jié)構(gòu)建筑中不單獨(dú)考慮。

根據(jù)大量風(fēng)的實(shí)測(cè)資料可以看出，在風(fēng)的順風(fēng)向時(shí)程曲線中，包含兩種成分：一種是長(zhǎng)周期部分，其值常在１０mn以上：另一種是短周期部分，只有幾秒，根據(jù)上述兩種成分，實(shí)際上把風(fēng)分為平均風(fēng)（即穩(wěn)定風(fēng)）和脈動(dòng)風(fēng)（常稱(chēng)陣風(fēng)脈動(dòng)）來(lái)加以分析，平均風(fēng)是在給定的時(shí)間間隔內(nèi)，把風(fēng)對(duì)建筑物的作用力的速度，方向及其他物理量都看成不隨時(shí)間而改變的量，考慮風(fēng)的長(zhǎng)周期遠(yuǎn)大于一般結(jié)構(gòu)的自振周期，因面其作用性質(zhì)相當(dāng)于靜力，離地面越近，風(fēng)速越小，脈動(dòng)風(fēng)是由于風(fēng)的不規(guī)則性引起的，周期較短，因面其作用性質(zhì)是動(dòng)力的，會(huì)引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，它隨高度的增加而減少，脈動(dòng)風(fēng)相對(duì)于平均風(fēng)來(lái)說(shuō)要小許多，而且在一定高度范圍內(nèi)的建筑物不可能受到很風(fēng)荷載動(dòng)力應(yīng)。因此一最來(lái)說(shuō)，動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化是小應(yīng)力值循環(huán)，不會(huì)成然面作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載突然消失與風(fēng)荷載存在時(shí)相比，結(jié)物的內(nèi)力變化是很大的，研究結(jié)構(gòu)在這種受力狀態(tài)下的玻勞問(wèn)題更有意義。

疲勞分析基本理論

疲勞相關(guān)概念

疲勞的定義當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)受到多次重復(fù)變化的載荷作用后，應(yīng)力值雖然沒(méi)有超過(guò)材料的強(qiáng)度極甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞，這種在交變載荷重復(fù)作用下材料或結(jié)限，構(gòu)的破壞現(xiàn)象，稱(chēng)為疲勞破壞。

疲勞與斷裂是引起工程結(jié)構(gòu)和構(gòu)件失效的最主要的原因美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)（ASTM）在“疲勞試驗(yàn)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)之有關(guān)術(shù)語(yǔ)的標(biāo)準(zhǔn)定義”（ ASTM E２０６７２）中將疲勞定義為：在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部的、**結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過(guò)程。

疲勞的分類(lèi)

疲勞可從不同的角度分類(lèi)。根據(jù)研究對(duì)象的不同可以分為材料疲勞和結(jié)構(gòu)疲勞。材料疲勞研究材料的失效機(jī)理、化學(xué)成分和微觀組織對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，標(biāo)準(zhǔn)試樣的疲勞試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法，材料的基本疲勞特性，環(huán)境和工況的影響，疲勞斷口的宏觀和微觀形貌等，其特點(diǎn)是使用標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行試驗(yàn)研究；結(jié)構(gòu)疲勞則以零部件、接頭甚至整機(jī)為研究對(duì)象，研究它們的疲勞性能、抗疲勞設(shè)計(jì)方法、壽命估算方法和疲勞試驗(yàn)方法，形狀尺寸和工藝因素的影響，以及提高其疲勞強(qiáng)度的方法。

疲勞強(qiáng)度、疲勞極限與疲勞壽命

疲勞強(qiáng)度的大小是用疲勞極限來(lái)衡量的，所謂疲勞極限就是指在一定循環(huán)特征R下，材料或構(gòu)件可以承受無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞的**應(yīng)力S，一般用S，表示。因材料的疲勞極限隨加載方式和應(yīng)力比的不同而異，通常以對(duì)稱(chēng)循環(huán)下的疲勞極限作為材料的基本疲勞極限。

疲勞壽命是疲勞失效時(shí)所經(jīng)受的應(yīng)力或應(yīng)變的循環(huán)次數(shù)，一般用N表示。試件的疲勞壽命取決于材料的力學(xué)性能和所施加的應(yīng)力水平。一般情況下，材料的強(qiáng)度極限愈高外加的應(yīng)力水平愈低，試樣的疲勞壽命就愈長(zhǎng)；反之，疲勞壽命就愈短。表示這種外加應(yīng)力水平和標(biāo)準(zhǔn)試樣疲勞壽命之間關(guān)系的曲線稱(chēng)為材料的SN曲線。