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)長的部件，在長期的風(fēng)荷載反復(fù)作用下存在結(jié)構(gòu)的疲勞問題，設(shè)計時必須予以足夠的重視。

本篇文章博仟雕塑公司將以長沙千手觀音銅像的長懸臂手臂為例，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結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的疲勞影響，將從以下幾方面展開研究。

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

②通過風(fēng)荷載時程譜計算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力時程譜

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)載下的疲勞問題

自然界的風(fēng)可分為異常風(fēng)和良態(tài)風(fēng)，對很少出現(xiàn)的風(fēng)，例如龍卷風(fēng)，稱為異常風(fēng)，不屬異常風(fēng)的則稱為良態(tài)風(fēng)，一般建筑設(shè)計中所研究的風(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，對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)復(fù)雜一般鋼結(jié)構(gòu)建筑中不單獨考慮。

根據(jù)大量風(fēng)的實測資料可以看出，在風(fēng)的順風(fēng)向時程曲線中，包含兩種成分：一種是長周期部分，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，實際上把風(fēng)分為平均風(fēng)（即穩(wěn)定風(fēng)）和脈動風(fēng)（常稱陣風(fēng)脈動）來加以分析，平均風(fēng)是在給定的時間間隔內(nèi)，把風(fēng)對建筑物的作用力的速度，方向及其他物理量都看成不隨時間而改變的量，考慮風(fēng)的長周期遠(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)是動力的，會引起結(jié)構(gòu)的振動，它隨高度的增加而減少，脈動風(fēng)相對于平均風(fēng)來說要小許多，而且在一定高度范圍內(nèi)的建筑物不可能受到很風(fēng)荷載動力應(yīng)。因此一最來說，動引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化是小應(yīng)力值循環(huán)，不會成然面作用在結(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)力值雖然沒有超過材料的強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試驗與材料協(xié)會（ASTM）在“疲勞試驗及數(shù)據(jù)統(tǒng)計之有關(guān)術(shù)語的標(biāo)準(zhǔn)定義”（ ASTM E２０６７２）中將疲勞定義為：在某點或某些點承受擾動應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動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)展過程。

疲勞的分類

疲勞可從不同的角度分類。根據(jù)研究對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理、化學(xué)成分和微觀組織對疲勞強度的影響，標(biāo)準(zhǔn)試樣的疲勞試驗方法和數(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，其特點是使用標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行試驗研究；結(jié)構(gòu)疲勞則以零部件、接頭甚至整機為研究對象，研究它們的疲勞性能、抗疲勞設(shè)計方法、壽命估算方法和疲勞試驗方法，形狀尺寸和工藝因素的影響，以及提高其疲勞強度的方法。

疲勞強度、疲勞極限與疲勞壽命

疲勞強度的大小是用疲勞極限來衡量的，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，通常以對稱循環(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；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)系的曲線稱為材料的SN曲線。