大型雕像結構的疲勞分析

由于大型雕像結構中經常存在手臂、飄帶等細長的部件，在長期的風荷載反復作用下存在結構的疲勞問題，設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，主要介紹風荷載中的平均風力部分，并考慮風載的突然消失與作用對結構產生的疲勞影響，將從以下幾方面展開研究。

 ①分別計算風荷載作用和消失時結構的應力分布情況

 ②通過風荷載時程譜計算結構的應力時程譜

 ③應用 Miner線性累積損傷理論和名義應力（SN）分析方法，采用 Goodman準則１風載下的疲勞問題

 自然界的風可分為異常風和良態風，對很少出現的風，例如龍卷風，稱為異常風，不屬異常風的則稱為良態風，一般建筑設計中所研究的風荷載為后者，可表示為順風向風力、橫風向風力和扭風力矩三種，而后兩種往往引起結構渦流共振，對結構的響應復雜一般鋼結構建筑中不單獨考慮。

 根據大量風的實測資料可以看出，在風的順風向時程曲線中，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，根據上述兩種成分，實際上把風分為平均風（即穩定風）和脈動風（常稱陣風脈動）來加以分析，平均風是在給定的時間間隔內，把風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，考慮風的長周期遠大于一般結構的自振周期，因面其作用性質相當于靜力，離地面越近，風速越小，脈動風是由于風的不規則性引起的，周期較短，因面其作用性質是動力的，會引起結構的振動，它隨高度的增加而減少，脈動風相對于平均風來說要小許多，而且在一定高度范圍內的建筑物不可能受到很風荷載動力應。因此一最來說，動引起的結構內力的變化是小應力值循環，不會成然面作用在結構上的風荷載突然消失與風荷載存在時相比，結物的內力變化是很大的，研究結構在這種受力狀態下的玻勞問題更有意義。

疲勞分析基本理論

疲勞相關概念

疲勞的定義當材料或結構受到多次重復變化的載荷作用后，應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生破壞，這種在交變載荷重復作用下材料或結限，構的破壞現象，稱為疲勞破壞。

疲勞與斷裂是引起工程結構和構件失效的最主要的原因美國試驗與材料協會（ASTM）在“疲勞試驗及數據統計之有關術語的標準定義”（ ASTM E２０６７２）中將疲勞定義為：在某點或某些點承受擾動應力，且在足夠多的循環擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發生的局部的、永久結構變化的發展過程。

疲勞的分類

疲勞可從不同的角度分類。根據研究對象的不同可以分為材料疲勞和結構疲勞。材料疲勞研究材料的失效機理、化學成分和微觀組織對疲勞強度的影響，標準試樣的疲勞試驗方法和數據處理方法，材料的基本疲勞特性，環境和工況的影響，疲勞斷口的宏觀和微觀形貌等，其特點是使用標準試樣進行試驗研究；結構疲勞則以零部件、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特征R下，材料或構件可以承受無限次應力循環而不發生疲勞破壞的最大應力S，一般用S，表示。因材料的疲勞極限隨加載方式和應力比的不同而異，通常以對稱循環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受的應力或應變的循環次數，一般用N表示。試件的疲勞壽命取決于材料的力學性能和所施加的應力水平。一般情況下，材料的強度極限愈高外加的應力水平愈低，試樣的疲勞壽命就愈長；反之，疲勞壽命就愈短。表示這種外加應力水平和標準試樣疲勞壽命之間關系的曲線稱為材料的SN曲線。