1997年7月14日收到初稿,1997年10月6日收到修改稿。 分析设计中应力分类的一次结构法 陆明万陈勇李建国(清华大学工程力学系,北京,100084)(全国压力容器标准化技术委员会,北京,100088)摘要我国新的设计规范JB 24732295《钢制压力容器———分析设计标准》于1995年3月颁布 实施。如何将有限元分析或实验应力分析得到的总应力场分解成规范中定义的各种应力类别是应用JB 24732295或美国ASME 《锅炉及压力容器规范》第Ⅲ篇和第Ⅷ篇第2分册时必须解决的关键问题。本文提出应力分类的两步法和一次结构法,将它们和等效线性化方法相结合,给出了圆满解决该问题的有效方法。文中还阐述了应力分解的不唯一性、自限应力、约束分类和一次结构等重要概念。 关键词分析设计应力分类一次结构法等效线性化方法 1引言 “分析设计法”是一种以弹性应力分析和塑性失效准则为基础的设计方法,已被世界各国公开承认和广泛采用。我国也于1995年3月颁布了采用分析设计法的设计规范JB 24732295。在分析设计法中弹性计算应力被分成:一次总体薄膜应力(P m )、一次局部薄膜应力(P L )、一次弯曲应力(P b )、二次应力(Q )和峰值应力(F )等五大类。以塑性失效准则来判断,各类应力对结构破坏的危害程度是不同的,所以规范中根据等强度设计原则对不同的应力规定了不同的许用极限,其差别达3倍,甚至更多。这样,如何正确地进行应力分类,将有限元分析或实验应力分析所得到的总应力场分解成规范中定义的各类应力成为应用中最为关心、且必须解决的关键问题。国内外发表了大量文章来讨论这一问题,其中等效线性化方法是已被广泛采用的典型方法。一些著名的有限元分析程序如ANSY S 、M ARC 、NAST RAN 等都已实现了等效线性化的后处理功能。我们也曾在文献[1～3]中作了讨论。 等效线性化方法要求设计者在所考虑结构的几个可能的危险部位指定一些贯穿壁厚的(通常是垂直于中面的)应力分类线,然后根据合力等效和合力矩等效的原理将沿应力分类线分布的弹性计算应力分解出薄膜应力和线性弯曲应力,剩下的非线性分布应力就是一个与平衡外载无关的自平衡力系。等效线性化概念起源于ASME 规范,被K roenke 等首先应用于二维轴对称问题[4～6]。对于三维一般情况,H ollin g er 和H echm er 两人就基于应力线性化的三维应力准则问题发表了一系列的重要文章[7～13]。 本文将首先介绍文献[1]中提出的应力分类的两步法。然后,作为等效线性化方法的扩充,提出一种有效的应力分解方法“一次结构法”。 第4期年8月第19卷 1998核动力工程Nuclear Power En g ineerin g Vol.19.No.4Au g .1998
容许应力法和概率极限状态设计法在钢结构设计中的应用 1、前言 我们在钢结构设计中经常用到容许应力法和概率（极限状态）设计法，有些没有经验 的技术人员在设计计算中经常将二者混淆，因此有必要将两种设计计算方法进行介绍和比较，供广大技术人员参考。 2、四种结构设计理论简述 2.1、容许应力法 容许应力法将材料视为理想弹性体，用线弹性理论方法，算出结构在标准荷载下的应力，要求任一点的应力，不超过材料的容许应力。材料的容许应力，是由材料的屈服强度，或极限强度除以安全系数而得。 容许应力法的特点是： 简洁实用，K值逐步减小； 对具有塑性性质的材料，无法考虑其塑性阶段继续承载的能力，设计偏于保守； 用K使构件强度有一定的安全储备，但K的取值是经验性的，且对不同材料，K值大 并不一定说明安全度就高； 单一K可能还包含了对其它因素（如荷载）的考虑，但其形式不便于对不同的情况分 别处理（如恒载、活载）。 2.2、破坏阶段法 设计原则是：结构构件达到破坏阶段时的设计承载力不低于标准荷载产生的构件内力 乘以安全系数K。 破坏阶段法的特点是： 以截面内力（而不是应力）为考察对象，考虑了材料的塑性性质及其极限强度； 内力计算多数仍采用线弹性方法，少数采用弹性方法； 仍采用单一的、经验的安全系数。 2.3、极限状态法 极限状态法中将单一的安全系数转化成多个（一般为3个）系数，分别用于考虑荷载、荷载组合和材料等的不定性影响，还在设计参数的取值上引入概率和统计数学的方法（半概率方法）。
极限状态法的特点是： 在可靠度问题的处理上有质的变化。这表现在用多系数取代单一系数，从而避免了单一系数笼统含混的缺点。 继承了容许应力法和破坏阶段法的优点； 在结构分析方面，承载能力状态以塑性理论为基础；正常使用状态以弹性理论为基础； 对于结构可靠度的定义和计算方法还没法给予明确回答。 2.4、概率（极限状态）设计法 该方法的设计准则是：对于规定的极限状态，荷载引起的荷载效应（结构内力）大于抗力（结构承载力）的概率（失效概率）不应超过规定的限值。 概率（极限状态）设计法的特点是： 继承了极限状态设计的概念和方法，但进一步明确提出了结构的功能函数和极限状态方程式，及一套计算可靠指标和推导分项系数的理论和方法； 设计表达式仍可继续采用分项安全系数的形式，以便与以往的设计方法衔接，但其中的系数是以一类结构为对象，根据规定的可靠指标，经概率分析和优化确定的。 3、容许应力法和概率（极限状态）设计法的实用表达式 3.1、容许应力法的实用表达式及容许应力计算规定 1）容许应力法的实用表达式为： σ≤［σ］ 式中： σ——结构在标准荷载下的应力； 〔σ］——材料的容许应力，是由材料的屈服强度，或极限强度除以安全系数而得。 2）《桥规》规定热扎钢材基本容许应力的安全系数采用1.7，铸钢基本容许应力的安全系数采用1.85，这是根据多年经验规定的，没有用概率方法来计算合理的安全系数。（TB_10002.2-2005《铁路桥梁钢结构设计规范》能够查到各种刚才的容许应力值） 轴向容许应力［σ］=σs/k 弯曲容许应力［σw］=1.05［σ］
压力容器分析设计的应力分类法与塑性分析法 作者：宋诚 来源：《石油研究》2020年第07期 摘要：压力容器在石油化工行业的应用非常广泛，通过分析压力容器分析设计的应力分类法与塑性分析法的发展，可以实现压力容器应用前景的扩大，并为其良好运行提供参考意见。进一步推动压力容器在石油化工行业的应用，有效提高压力容器的经济效益。 关键词：压力容器;应力分类法;塑性分析法 近年来很多研究学者对压力容器的工作原理、性能等方面进行研究，并取得了显著效果。以往的压力容器在设计过程中，都是采用薄膜应力的方式进行设计，将其他应力影响包括在安全系数之中。但是在实际应用过程中，压力容器及承压部件中，除去介质压力所形成的薄膜应力之外，还会受到热胀冷缩变形而导致的温差应力以及局部应力，因此，在进行压力分析设计时，需要利用应力分类法和塑性分析法，才能够明确不同应力对压力容器安全性的影响，从而有效提高压力容器的科学性和合理性。 1应力分类法 1.1一次应力 一次应力是指压力容器因为受到外载荷的影响，压力容器部件出现剪应力。一次应力超过材料屈服极限时压力容器就会发生变形破坏。主要可以分为以下几种情况：第一，总体薄膜应力。因压力容器受到内压的影响在壳体上出现薄膜应力，总体薄膜应力会在整个壳体上均匀分布，当应力超过材料屈服极限时，壳体壁厚的材料会发生变形。第二，局部薄膜应力。是指压力容器的局部范围内，应受到机械载荷或者压力所导致的薄膜应力，其中主要包括支座应力以及力距所形成的薄膜应力。第三，一次弯曲应力。由于压力容器受到内压作用的影响，在平板盖中央位置会出现弯曲引力，随着载荷的不断增加，应力会进行重新调整。 1.2二次应力 二次应力是指压力容器部件受到约束而出现的剪应力。二次应力满足变形条件。例如，在压力容器的半球形封头以及薄壁圆筒的连接位置，由于受到压力容器内压的作用，两者会出现不同的径向位移，因此两者的连接部位会形成相互约束关系，出现变形协调情况。在这种情况下，连接部位会附加剪力应力，从而形成二次应力。二次应力的出现，也是由于局部范围之内材料出现少量变形，相连部位之间约束缓和，变形协调化，变形不会继续发展，将应力值限制
1.局部应力应变分析法、名义应力疲劳设计法、疲劳可靠性设计法、损伤容限设计法 2.磨损、腐蚀、断裂 3.交变应力水平低、脆性断裂、损伤积累过程、断口在宏观和微观上有特征 4.表面应力水平比内部高、表面晶体束缚少，易发生滑移、表面易发生环境介质腐蚀、表面的加工痕迹或划痕会降低零件疲劳强度 5.材料在循环应力、应变作用下，某点或某些点发生局部永久性结构变形，在经过一定循环次数后产生裂纹或发生断裂的过程。 6.外加应力水平和标准试样疲劳寿命之间关系的曲线 7.疲劳寿命无穷大时的中值疲劳强度 8.在各级应力水平下的疲劳寿命分布曲线上可靠度相等的点连成曲线就能得到给定可靠度的一组SN曲线 9.理论应力:局部应力与名义应力的比值Kt=6t/6n 10.在应力集中和终加工相同的情况下，尺寸为d的零件的极限寿命与标准直径试样的极限寿命的比值 11.史密斯图、海夫图、等寿命图（相同寿命时在不同应力下的疲劳极限间关系的线图） 12.线性积累损伤理论： 13.载荷随时间变化的历程应力随时间变化的历程 14.零件的疲劳破损都是从应变集中部位最大局部应变处开始的 裂纹萌生以前，一般都会产生塑性变形 塑性变形是裂纹萌生和扩展的先决条件 零件的疲劳强度和寿命由应变集中部位的最大局部应力应变决定 15参数应力（名义应力）应变（局部应变） 特征应力疲劳应变疲劳 范围104-105-5*106 103-104-105 寿命总寿命裂纹形成寿命 曲线SN曲线古德曼曲线EN曲线，循环应力应变曲线 变形弹性变形应力应变成正比塑性变形较大 16真实应力 17材料在循环载荷作用下的应力应变响应循环应力应变曲线 18循环硬化：应力幅6a为常数，应变幅Ea随着循环次数增加而减少，最后趋于稳定 循环软化：应变幅Ea为常数，应力幅6a随着循环次数增加而逐渐减少 19.漫森四点：应变寿命曲线的弹性线上取2点，塑性线上取2点，通用斜率法 20.雨流法：Y方向为时间，X方向为应力大小 21.在循环加载作用下应力应变响应称为循环应力应变曲线 在循环加载作用下应力应变轨迹线称为应力应变迟滞回线 件加载拉伸到A卸载到O加载压缩到B加载拉伸到C（与A重合）形成的环线 22.损伤容限设计：以断裂力学理论为基础 以无损检测技术和断裂韧性与疲劳裂纹扩展速率的测定技术为手段 以有初始缺陷的寿命估算为中心 以断裂控制为保障 确保零件在使用期内能够安全使用的一种疲劳计算方法 23.应力强度因子：K是度量裂纹端部应力场强弱程度的一个参数 24.断裂韧度：应力强度因子的临界值，发生脆断时的应力强度因子。 25.性能、可靠性（规定条件规定时间完成规定功能）、维修性指标（规定条件时间程序方法恢复到规定状态） 26.广义可靠性=狭义可靠性（不可维修产品的可靠性）+可维修性 27.故障和失效（产品不能完成其规定功能的状态） 28.可靠度（规定条件时间完成规定功能的概率）
第一部分支架形式模拟 (2) 1.0 普通支架的模拟 (2) 1.1 U－band (2) 1.2 承重支架 (3) 1.3 导向支架 (3) 1.4 限位支架 (7) 1.5 固定支架 (7) 1.6 吊架 (8) 1.7 水平拉杆 (8) 1.8 弹簧支架模拟 (9) 2.0 附塔管道支架的模拟 (11) 3.0弯头上支架 (13) 4.0 液压阻尼器 (14) 5.0 CAESARII可模拟虾米弯，但变径虾米弯不能模拟 (15) 第二部分管件的模拟 (15) 1.0 法兰和阀门的模拟 (15) 2.0 大小头模拟 (17) 3.0 安全阀的模拟 (18) 4.0 弯头的模拟 (19) 5.0 支管连接形式 (20) 6.0 膨胀节的模拟 (21) 6.1 大拉杆横向型膨胀节 (22) 6.2 铰链型膨胀节 (34) 第三部分设备模拟 (42) 1.0 塔 (42) 1.1 板式塔的模拟 (42) 1.2 填料塔的模拟 (44) 1.3 除了模拟塔体的温度，还需模拟塔裙座的温度 (47) 2.0 换热器，再沸器 (48) 2.1 换热器模拟也分两种情况 (48)
3.0 板式换热器 (51) 4.0 空冷器 (52) 4.1 空冷器进口管道和出口管道不在同一侧 (52) 4.2 空冷器进口管道和出口管道在同一侧 (54) 5.0 泵 (56) 6.0 压缩机，透平 (58) 第四部分管口校核 (59) 1.0 WRC107 (59) 2.0 Nema 23 (62) 3.0 API617 (64) 4.0 API610 (65) 第五部分工况组合 (68) 1.0 地震 (69) 2.0 风载 (70) 3.0 安全阀起跳工况 (72) 4.0 沉降 (74) 第一部分支架形式模拟 1.0 普通支架的模拟 1.1 U－band
设计弯沉值和容许拉应力计算 序号车型名称前轴重(kN) 后轴重(kN) 后轴数后轴轮组数后轴距(m) 交通量 1 衡阳HY681 47.6 88.4 1 双轮组975 2 北京BG660 84.5 108.35 2 双轮组> 3 268 3 跃进NJ131 20.2 38.2 1 双轮组571 4 东风EQ140 23.7 69.2 1 双轮组369 5 黄河JN150 49 101. 6 1 双轮组369 6 日野KB222 50.2 104.3 1 双轮组180 7 太脱拉138 51.4 80 2 双轮组<3 176 设计年限15 车道系数.35 交通量平均年增长率 6.12 ％ 一个车道上大客车及中型以上的各种货车日平均交通量 Nh= 818 ,属中等交通等级 当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时: 路面营运第一年双向日平均当量轴次: 3477 设计年限内一个车道上的累计当量轴次: 1.043388E+07 属中等交通等级 当以半刚性材料结构层层底拉应力为设计指标时: 路面营运第一年双向日平均当量轴次: 3549 设计年限内一个车道上的累计当量轴次: 1.064994E+07 属中等交通等级 路面设计交通等级为中等交通等级 公路等级高速公路 公路等级系数 1 面层类型系数 1 路面结构类型系数 1 路面设计弯沉值: 23.7 (0.01mm) 层位结构层材料名称劈裂强度(MPa) 容许拉应力(MPa) 1 细粒式沥青混凝土 1 .32 2 中粒式沥青混凝土.8 .25 3 粗粒式沥青混凝土.6 .19 4 水泥稳定碎石.6 .29 5 水泥粉煤灰砂砾.25 .12
目次 1 总则 (1) 1.1 范围 (1) 1.2 管道应力分析的任务 (1) 2 引用文件 (2) 3 设计 (2) 3.1 一般规定 (2) 3.2 管道冷紧 (3) 3.3 摩擦力 (3) 3.4 弹簧支吊架 (3) 3.5 设计条件 (4) 3.6 应力计算 (5) 3.7 力与力矩计算 (5) 3.8 管道应力分析评定标准 (5) 3.9 应力分析的方法 (8) 3.10 应力分析管道分类 (9) 4 应力分析报告 (12)
1 总则 1.1 范围 本标准规定了石油化工装置内管道应力分析的原则和相关要求。 本规定适用于石油化工装置设计压力不大于 42MPa，设计温度不超过材料允许使用温度的碳钢、合金钢及不锈钢管道的应力设计。 专利设备或成套设施，其设备的操作、维修、管道布置还应满足设备制造厂的特殊要求及标准。 执行本规定的同时，尚应符合国家现行有关标准。 1.2 管道应力分析的任务 管道应力分析的任务是保证管道系统布置的安全和经济性，避免发生以下情况： a) 因管道应力过大或金属疲劳而引起管道或支架损坏； b) 管道连接处发生泄漏； c) 因管道的推力和力矩过大而使管道或与管道连接的设备产生不允许的应力或变形； d) 管道从所在支架上脱落； e) 由于外部振动或管内流体引起的管道共振； f) 管道挠度过大，尤其是对于带有一定坡度自流排液的管道。 2 引用文件 GB50009 建筑结构荷载规范 GB/T20801 压力管道规范工业管道 SH/T3039 石油化工非埋地管道抗震设计通则 ASME B31.3 Process Piping API610 Centrifugal Pumps for Petroleum, Petrochemical and Natural Gas Industries API617 Centrifugal Compressors for Petroleum, Chemical, and Gas Service Industries API661 Air-Cooled Heat Exhangers for General Refinery Service NEMA SM23 Steam Turbines for Mechanical Drive Service 3 设计
容许应力法和概率（极限状态）设计法 在钢结构设计中的应用 内容提要 本文简要介绍了容许应力法、破坏阶段法、极限状态法、概率（极限状态）设计法四个结构设计理论，并且列出了我们经常用的容许应力法和概率（极限状态）设计法的实用表达式和参数选用，通过对上述两种方法参数的比较，总结出我们在工程施工中临时结构设计的实用办法和注意事项，以期望达到提高广大现场施工技术人员的设计水平的目的。 1、前言 我们在钢结构设计中经常用到容许应力法和概率（极限状态）设计法，有些没有经验的技术人员在设计计算中经常将二者混淆，因此有必要将两种设计计算方法进行介绍和比较，供广大技术人员参考。 2、四种结构设计理论简述 2.1、容许应力法 容许应力法将材料视为理想弹性体，用线弹性理论方法，算出结构在标准荷载下的应力，要求任一点的应力，不超过材料的容许应力。材料的容许应力，是由材料的屈服强度，或极限强度除以安全系数而得。 容许应力法的特点是： 简洁实用，K值逐步减小； 对具有塑性性质的材料，无法考虑其塑性阶段继续承载的能力，设计偏于保守； 用K使构件强度有一定的安全储备，但K的取值是经验性的，且对不同材料，K值大并不一定说明安全度就高； 单一K可能还包含了对其它因素（如荷载）的考虑，但其形式
不便于对不同的情况分别处理（如恒载、活载）。 2.2、破坏阶段法 设计原则是：结构构件达到破坏阶段时的设计承载力不低于标准荷载产生的构件内力乘以安全系数K。 破坏阶段法的特点是： 以截面内力（而不是应力）为考察对象，考虑了材料的塑性性质及其极限强度； 内力计算多数仍采用线弹性方法，少数采用弹性方法； 仍采用单一的、经验的安全系数。 2.3、极限状态法 极限状态法中将单一的安全系数转化成多个（一般为3个）系数，分别用于考虑荷载、荷载组合和材料等的不定性影响，还在设计参数的取值上引入概率和统计数学的方法（半概率方法）。 极限状态法的特点是： 在可靠度问题的处理上有质的变化。这表现在用多系数取代单一系数，从而避免了单一系数笼统含混的缺点。 继承了容许应力法和破坏阶段法的优点； 在结构分析方面，承载能力状态以塑性理论为基础；正常使用状态以弹性理论为基础； 对于结构可靠度的定义和计算方法还没法给予明确回答。 2.4、概率（极限状态）设计法 该方法的设计准则是：对于规定的极限状态，荷载引起的荷载效
压力容器应力分析设计方法的进展和评述 压力容器的使用范围非常的广泛，在此基础上，我们一定更加重视其使用的效果。其中，压力容器应力分析是重要的工作，所以，讨论压力容器应力分析设计工作很有必要。 压力容器概述 1.1.概念 所谓的压力容器是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。贮运容器、反应容器、换热器和分离器均属压力容器。 1.2.用途 压力容器的用途十分广泛。它是在石油化工学、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。 分析设计方法 在ASME老版中分析设计方法的全称是“以应力分析方法为基础的设计”,简称“应力分析设计”,再简称为“分析设计”。它的特点是: 2.1.要求对压力容器及其部件进行详细的弹性应力分析。可以采用
理论分析、数值计算或试验测定来进行弹性应力分析。 2.2.强度校核时采用塑性失效准则。包括用极限载荷控制一次应力,以防止整体塑性垮塌失效。用安定载荷控制一次加二次应力以及用疲劳寿命控制最大总应力,以防止循环失效等。 2.3.根据塑性失效准则对弹性应力进行分类。 2.4.根据等安全裕度原则确定危险性不同的各类应力的许用极限值。综合起来可以说,“应力分析设计”是一种以弹性应力分析和塑性失效准则为基础的应力分类设计方法。近年来被简称为“应力分类法”。早期(老版中)的“分析设计”只包含这一种方法。随着先进的力学分析方法和手段的不断成熟(即其有效性和可靠性达到实际工程应用的水平),ASME新版和欧盟标准都及时地扩充了“分析设计”采用的方法,同时对“分析设计”的含义也有所调整。最突出的表现为: 2.4.1.从弹性应力分析扩充到弹塑性分析。和应力分类法(弹性应力分析方法)并行地提出了弹塑性分析方法和极限载荷分析方法(ASME)或直接法(欧盟)。 2.4.2.把能够给出显式表达式的解析解都调整到“规则设计”中,“分析设计”只规定通用性强的数值分析方法。另一方面,在“规则设计”公式的强度校核中又引入了应力分类的思想。 随着时间的推移和科学的发展,“分析设计”的方法和内容还会有新的扩充和调整。在现阶段可以说,“分析设计”是一种以塑性失效准则为基础、采用先进力学分析手段的压力容器设计方法。先进的材料、
、极限状态设计法 limit state design method 当以整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，则此特定状态称为该功能的极限状态，按此状态进行设计的方法称极限状态设计法。它是针对破坏强度设计法的缺点而改进的工程结构设计法。分为半概率极限状态设计法和概率极限状态设计法。 半概率极限状态设计法将工程结构的极限状态分为承载能力极限状态、变形极限状态和裂缝极限状态三类（也可将后两者归并为一类），并以荷载系数、材料强度系数和工作条件系数代替单一的安全系数。对荷载或荷载效应和材料强度的标准值分别以数理统计方法取值，但不考虑荷载效应和材料抗力的联合概率分布和结构的失效概率。 概率极限状态设计法将工程结构的极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状 态两大类。按照各种结构的特点和使用要求，给出极限状态方程和具体的限值，作为结构设计的依据。用结构的失效概率或可靠指标度量结构可靠度，在结构极限状态方程和结构可靠度之间以概率理论建立关系。这种设计方法即为基于概率的极限状态设计法，简称为概率极限状态设计法。其设计式是用荷载或荷载效应、材料性能和几何参数的标准值附以各种分项系数，再加上结构重要性系数来表达。对承载能力极限状态采用荷载效应的基本组合和偶然组合进行设计，对正常使用极限状态按荷载的短期效应组合和长期效应组合进行设计。 2、许应力设计法 allowable stress design method 以结构构件的计算应力σ不大于有关规范所给定的材料容许应力[σ]的原则来进行设计的方法。一般的设计表达式为 σ≤[σ] 结构构件的计算应力σ按荷载标准值以线性弹性理论计算；容许应力[σ]由规定的材料弹性极限（或极限强度、流限）除以大于1的单一安全系数而得。 容许应力设计法以线性弹性理论为基础，以构件危险截面的某一点或某一局部的计算应力小于或等于材料的容许应力为准则。在应力分布不均匀的情况下，如受弯构件、受扭构件或静不定结构，用这种设计方法比较保守。 容许应力设计应用简便，是工程结构中的一种传统设计方法，目前在公路、铁路工程设计中仍在应用。它的主要缺点是由于单一安全系数是一个笼统的经验系数，因之给定的容许应力不能保证各种结构具有比较一致的安全水平，也未考虑荷载增大的不同比率或具有异号荷载效应情况对结构安全的影响。
明钢管的管身应力分析及结构设计 一、明钢管的荷载 明钢管的设计荷载应根据运行条件，通过具体分析确定，一般有以下几种： (1)内水压力。包括各种静水压力和动水压力，水重，水压试验和充、放水时的水压力。 (2)钢管自重。 (3)温度变化引起的力。 (4)镇墩和支墩不均匀沉陷引起的力。 (5)风荷载和雪荷载。 (6)施工荷载。 (7)地震荷载。 (8)管道放空时通气设备造成的负压。 钢管设计的计算工况和荷载组合应根据工程的具体情况参照钢管设计规范采用。 二、管身应力分析和结构设计 明钢管的设计包括镇墩、支墩和管身等部分。前二者在上节中已经讨论过，这里主要讨论管身设计问题。 明钢管一般由直管段和弯管、岔管等异形管段组成。直管段支承在一系列支墩上，支墩处管身设支承环。由于抗外压稳定的需要，在支承环之间有时还需设加劲环。直管段的设计包括管壁、支承环和加劲环、人孔等附件。 支承在一系列支墩上的直管段在法向力的作用下类似一根连续梁。根据受力特点，管身的应力分析可取如图13-14所示的三个基本断面：跨中断面1-1；支承环附近断面2-2和支承环断面3-3。以下介绍明钢管计算的结构力学方法。 图13-14 管身计算断面 （一）跨中断面（断面1-1) 管壁应力采用的坐标系如图13-15所示。以x表示管道轴向，r表示管道径向，θ表示管道切向，这三个方向的正应力以、、表之，并以拉应力为正。图中表明了管壁单元体的应力状态，剪应力r下标的第一个符号表此剪应力所在的面（垂直x轴者称x面，余同），第二个符号表示剪应力的方向，如表示在垂直x轴的面上沿e向作用的剪应力。 1.切向（环向）应力。 管壁的切向应力主要由内水压力引起。对于水平管段，管道横截面上的水压力如图13-16(a),它可看作由图13-16(b)的均匀水压力和图13-16(c)的满水压力组成。这两部分的水压力在管壁中引起的切向应力为 式中D、δ--管道内径和管壁计算厚度，cm； γ--水的容重，0.001；
压力容器应力分析设计方法的进展和评述 集团公司文件内部编码：（TTT-UUTT-MMYB-URTTY-ITTLTY-
压力容器应力分析设计方法的进展和评述压力容器的使用范围非常的广泛，在此基础上，我们一定更加重视其使用的效果。其中，压力容器应力分析是重要的工作，所以，讨论压力容器应力分析设计工作很有必要。 压力容器概述 1.1.概念 所谓的压力容器是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。贮运容器、反应容器、换热器和分离器均属压力容器。 1.2.用途 压力容器的用途十分广泛。它是在石油化工学、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。
分析设计方法 在ASME老版中分析设计方法的全称是“以应力分析方法为基础的设计”,简称“应力分析设计”,再简称为“分析设计”。它的特点是: 2.1.要求对压力容器及其部件进行详细的弹性应力分析。可以采用理 论分析、数值计算或试验测定来进行弹性应力分析。 2.2.强度校核时采用塑性失效准则。包括用极限载荷控制一次应力,以防止整体塑性垮塌失效。用安定载荷控制一次加二次应力以及用疲劳寿 命控制最大总应力,以防止循环失效等。 2.3.根据塑性失效准则对弹性应力进行分类。 2.4.根据等安全裕度原则确定危险性不同的各类应力的许用极限值。 综合起来可以说,“应力分析设计”是一种以弹性应力分析和塑性失效准则为基础的应力分类设计方法。近年来被简称为“应力分类法”。早期(老版中)的“分析设计”只包含这一种方法。随着先进的力学分析方法 和手段的不断成熟(即其有效性和可靠性达到实际工程应用的水平),ASME 新版和欧盟标准都及时地扩充了“分析设计”采用的方法,同时对“分析设计”的含义也有所调整。最突出的表现为:
定应力求配筋容许应力法的简捷计算方法 陈永运 本方法是“按容许应力法直接计算钢筋面积的方法”的发展，更全面更实用。 1 偏心压力作用在矩形面内按容许应力法计算，仍然可以直接求钢筋面积 偏心压力作用在矩形面内按容许应力法计算，仍然可以直接求钢筋面积。因为我们的求解途径依然是确定钢筋应力后直接算面积。不同的是，力作用在截面内时要先计算出钢筋可以使用的应力值，这里称其为“设定应力”。针对设定应力的含义，最初使用的是“容许应力”这个名词，这是因为力作用截面以外，钢筋的应力值是可以达到规范规定的数值的，尽管我们不一定用到那样高。而力作用在截面内时，就不一定能达到规范所规定的那样高的数值了。为避免误会，以后均以“设定应力”来代替曾采用过的容许应力。 偏心压力作用在截面以外，之所以能对钢筋的设定应力取较高的数值，是因为受压区可以缩得很小。当配筋既定，受压区将随着偏心弯矩的增大而变小。即便偏心力很小，如果配筋数量不多的话，随着裂缝开展，受压区也会缩小；因为从理论上来说，假定混凝土是不承受拉应力的。 按容许应力法的平面直线的基本假定，随着受压区高度的减小和裂缝开展，受拉钢筋的应力将逐渐变大，其应力终将能达到所设定的数值。如果按计算所得的面积配置钢筋，从理论上来说，该钢筋的受拉应力就等于设定的应力值。如果实际配筋较计算有所增加或减少，则钢筋应力会较设定应力值偏低或稍高。 当偏心压力作用在截面内时，偏心力的着力点就作用在受压区范围内的某个位置处。受压区面积不会像偏心力作用在截面外那样缩得很小，是有一定限值的，换句话来说，是有一个最小的受压区的。该受压区合力中心直接与偏心力平衡。对于矩形截面，这个最小的受压区的高度是“偏心力作用点至截面受压端距离的3倍”，即x =3()o s h e （符号意义见图1）。 这仅是为讨论方便，既没有考虑混凝土的强度，也不考虑构件的总体稳定问题。受压区不会因偏心力的增大而缩小，截面的受压区只会因配筋的增多而加高。随着受压区的加高，钢筋应力将不断降低。因此在偏心力作用在截面内时，钢筋的应力不能随意设置。所用的设定应力。一般要较规范规定有不同幅度的降低。只有当偏心力作用在截面受压侧上边缘附近，即内力臂z 值 较大时，或钢筋容许应力本身就较低的的情况下，经计算或可以按规范规定设定其数值。而当偏心距较小或偏心力较小时，受拉钢筋的应
1．焊接应力的分类 焊接过程是一个先局部加热，然后再冷却的过程。焊件在焊接时产生的变形称为热变形，焊件冷却后产生的变形称为焊接残余变形，这时焊件中的应力称为焊接残余应力。 焊接应力包括沿焊缝长度方向的纵向焊接应力，垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。2．焊接残余应力对结构性能的影响 （1）对结构静力强度的影响：焊接应力不影响结构的静力强度。 （2）对结构刚度的影响：焊接残余应力降低结构的刚度。 （3）对受压构件承载力的影响：焊接残余应力降低受压构件的承载力。 （4）对低温冷脆的影响：增加钢材在低温下的脆断倾向。 （5）对疲劳强度的影响：焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。 焊接变形的基本形式有收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形等。 焊接过程中，对焊件进行不均匀加热和冷却，是产生焊接应力和变形的根本原因。 减少焊接应力与变形的工艺措施主要有： 1．预留收缩变形量。根据理论计算和实践经验，在焊件备料及加工时预先考虑收缩余量，以便焊后工时预先考虑收缩余
量，以便焊后工件达到所要求的形状、尺寸。 2．反变形法。根据理论计算和实践经验，预先估计结构焊接变形的方向和大小，然后在焊接装配时给予一个方向相反、大小相等的预置变形，以抵消焊后产生的变形。 3. 刚性固定法。焊接时将焊件加以刚性固定，焊后待焊件冷却到室温后再去掉刚性固定，可有效防止角变形和波浪变形。此方法会增大焊接应力，只适用于塑性较好的低碳钢结构。 4. 选择合理的焊接顺序。尽量使焊缝自由收缩。焊接焊缝较多的结构件时，应先焊错开的短焊缝，再焊直通长焊缝，以防在焊缝交接处产生裂纹。如果焊缝较长，可采用逐步退焊法和跳焊法，使温度分布较均匀，从而减少了焊接应力和变形。 5. 锤击焊缝法。在焊缝的冷却过程中，用圆头小锤均匀迅速地锤击焊缝，使金属产生塑性延伸变形，抵消一部分焊接收缩变形，从而减小焊接应力和变形。 6. 加热“减应区”法。焊接前，在焊接部位附近区域(称为减应区)进行加热使之伸长，焊后冷却时，加热区与焊缝一起收缩，可有效减小焊接应力和变形。 7. 焊前预热和焊后缓冷。预热的目的是减少焊缝区与焊件其他部分的温差，降低焊缝区的冷却速度，使焊件能较均匀地冷却下来，从而减少焊接应力与变形。工件达到所要求的形状、尺寸。在制造过程中的工艺措施和方法： 1.采用线能量小的工艺参数和焊接方法，或强制冷却措施
管道在内压、持续外载以及热胀、冷缩和其它位移等荷载作用下，其最大应力往往超过材料的屈服极限，使材料在工作状态下发生塑料变形。高温管道的蠕动和应力松弛，也将使管系上的应力状态发生变化。这些情况说明，管系上的应力与一般结构、机械分析中所遇到的低温的和稳定的应力不同。因此，对于不同种类的应力应当区别对待，根据它可能产生的效应和对于破坏所起的作用不同，给予不同的限定。 对于管道上的应力，一般分为一次应力、二次应力和峰值应力三类。 一、一次应力 一次应力是由所加荷载引起的正应力和剪应力。它必须满足外部、内部力和力矩的平衡法则。一次应力的基本特征是非自限性的，它始终随所加荷载的增加而增加，超过屈服极限或持久强度，将使管道发生塑性变形。因此，必须防止发生过度的塑性变形，并为爆破或蠕变失效留有足够的裕度。 管道承受内压和持续外载而产生的应力，属于一次应力。管道承受风荷载、地震荷载、水冲击和安全阀动作冲击等荷载而产生的应力，也属于一次应力，但这些荷载都是属于偶然荷载，这些应力属动荷载产生的应力，应当在动力计算中考虑。 一次应力有三种类型：一次一般薄膜应力、一次局部薄膜应力和一次弯曲应力。 一次一般薄膜应力，是在所研究的截面厚度上均匀分布的，且等于该截面应力平均值的法向应力（即正应力）的分量。如果这种应力达到屈服极限时，将引起截面整体屈服，不出现荷载的再分配。 一次局部薄膜应力，是由内压或其它机械荷载产生的，由于结构不连续或其它特殊情况的影响而在管道或附件的局部区域有所增强的一次薄膜应力。这类应力虽然具有二次应力的一些特征，但为安全计，通常仍划为一次应力。这种应力达到屈服极限时，只引起局部屈服，塑性应变仍然受到周围弹性材料的约束，所以屈服是允许的。假若有一个应力区域，其应力强度超过1.1倍的基本许用应力，在纵向方向的延伸距离不大于图片点击可在新窗口打开查看，并且与另一个超过一次一般薄膜应力极限的区域沿纵向方向的距离不小于图片点击可在新窗口打开查看（这里的图片点击可在新窗口打开查看和S是超过一次一般薄膜应力极限处的管子平均半径和壁厚），此应力区域可以认为是局部的，划为一次局部薄膜应力，否则就应按一次一般薄膜应力考虑。例如，在固定支架处或接管连接处由于外载产生的一次薄膜应力，通常划为一次局部薄膜应力。 一次弯曲应力是在所研究的截面上法向应力（即正应力）从平均值算起的沿厚度方向变化的分量。这种应力达到屈服极限时，也只引起局部屈服。在应力验算中，通常不单独评价一次弯曲应力强度。
第七节 载荷和应力的分类 一、载荷分类 作用在机械零件上的载荷可分为静载荷和变载荷两类。不随时间变化或变化较缓慢的载荷称为静载荷。随时间变化的载荷称为变载荷。 在设计计算中，还常把载荷分为名义载荷与计算载荷。根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷称为名义载荷，它没有反映载荷随时间作用的不均匀性、载荷在零件上分布的不均匀性及其它影响零件受载等因素。因此，常用载荷系数K 来考虑这些因素的综合影响。载荷系数K 与名义载荷的乘积即称为计算载荷。 二、应力分类 按应力随时间变化的特性不同，可分为静应力和变应力。不随时间变化或变化缓慢的应力称为静应力（见图1–2a ）。随时间变化的应力称为变应力（见图1–2b 、c 、d ）。绝大多数机械零件都是处于变应力状态下工作的。 a) b) c) d) 图1-2 静应力及边应力 a)静应力 b)稳定循环变应力 c)不稳定循环变应力 d)随机变应力 变应力可分为稳定循环变应力（见图1–2b ）、不稳定循环变应力（见图1–2c ）及随机变应力（见图1–2d ）。瞬时作用的过载或冲击所产生的应力称为尖峰应力（见图1–2d ）。 稳定循环变应力的类型是多种多样的，但归纳起来有如图1–3所示的三种基本类型：（a ）非对称循环变应力；(b)脉动循环变应力；(c)对称循环变应力。 为了表示稳定循环变应力状况，引入下列变应力参数：s max –––变应力最大值；s min ––––变应力最小值；s m –––平均应力；s a –––应力幅；r –––循环特性。
如图1–3所示可知，s max=s m+s a；s min=s m–s a；s m=(s max+s min)/2；s a=(s max–s min)/2；r=s min/s max=(s m–s a)/(s m+s a)。当r=+1时，表明s max=s min，即为静应力；当r=–1时，表明s max 与s min的数值相等但符号（即方向）相反，这类应力称为对称循环变应力；当r=0时，即s min=0，s m=s a=s max/2，这类应力称为脉动循环变应力。当r为任意值为（即r1+1、–1、0），这类应力统称为非对称循环变应力（见图1–3a）。 a) b) c)图1-3 稳定循环变应力 a)非对称循环变应力b)脉动循环变应力c)对称循环变应力 通常在设计时，对于应力变化次数较少（例如在整个使用寿命期间应力变化次数小于103的通用零件）的变应力，可近似地按静应力处理。 变应力由变载荷产生，也可能由静载荷产生。在静载荷作用下产生变应力的例子如图1–4所示，图示为转轴和滚动轴承a点的应力变化。 图1–4 在静载荷作用下产生变应力的例子 零件的失效形式与材料的极限应力及零件工作时的应力类型有关。在进行强度计算时，首先要弄清楚零件所受应力的类型。
容许应力法和概率(极限状态)设计法 在钢结构设计中的应用 中铁五局集团公司经营开发部肖炳忠 内容提要 本文简要介绍了容许应力法、破坏阶段法、极限状态法、概率（极限状态）设计法四个结构设计理论，并且列出了我们经常用的容许应力法和概率（极限状态）设计法的实用表达式和参数选用，通过对上述两种方法参数的比较，总结出我们在工程施工中临时结构设计的实用办法和注意事项，以期望提高广大现场施工技术人员的设计水平的目的。 1、前言 我们在钢结构设计中经常用到容许应力法和概率（极限状态）设计法，有些没有经验的技术人员在设计计算中经常将二者混淆，因此有必要将两种设计计算方法进行介绍和比较，供广大技术人员参考。 2、四种结构设计理论简述 2.1、容许应力法 容许应力法将材料视为理想弹性体，用线弹性理论方法，算出结构在标准荷载下的应力，要求任一点的应力，不超过材料的容许应力。材料的容许应力，是由材料的屈服强度，或极限强度除以安全系数而得。 容许应力法的特点是： 简洁实用，K值逐步减小； 对具有塑性性质的材料，无法考虑其塑性阶段继续承载的能力，设计偏于保守； 用K使构件强度有一定的安全储备，但K的取值是经验性的，且对不同材料，K值大并不一定说明安全度就高； 单一K可能还包含了对其它因素（如荷载）的考虑，但其形式不便于对不同的情况分别处理（如恒载、活载）。 2.2、破坏阶段法 设计原则是：结构构件达到破坏阶段时的设计承载力不低于标准荷载产生的构件内力乘以安全系数K。
破坏阶段法的特点是： 以截面内力（而不是应力）为考察对象，考虑了材料的塑性性质及其极限强度； 内力计算多数仍采用线弹性方法，少数采用弹性方法； 仍采用单一的、经验的安全系数。 2.3、极限状态法 极限状态法中将单一的安全系数转化成多个（一般为3个）系数，分别用于考虑荷载、荷载组合和材料等的不定性影响，还在设计参数的取值上引入概率和统计数学的方法（半概率方法）。 极限状态法的特点是： 在可靠度问题的处理上有质的变化。这表现在用多系数取代单一系数，从而避免了单一系数笼统含混的缺点。 继承了容许应力法和破坏阶段法的优点； 在结构分析方面，承载能力状态以塑性理论为基础；正常使用状态以弹性理论为基础； 对于结构可靠度的定义和计算方法还没法给予明确回答。 2.4、概率（极限状态）设计法 该方法的设计准则是：对于规定的极限状态，荷载引起的荷载效应（结构内力）大于抗力（结构承载力）的概率（失效概率）不应超过规定的限值。 概率（极限状态）设计法的特点是： 继承了极限状态设计的概念和方法，但进一步明确提出了结构的功能函数和极限状态方程式，及一套计算可靠指标和推导分项系数的理论和方法； 设计表达式仍可继续采用分项安全系数的形式，以便与以往的设计方法衔接，但其中的系数是以一类结构为对象，根据规定的可靠指标，经概率分析和优化确定的。 3、容许应力法和概率（极限状态）设计法的实用表达式 3.1、容许应力法的实用表达式及容许应力计算规定 1）容许应力法的实用表达式为： σ≤［σ］ 式中： σ——结构在标准荷载下的应力；
压力容器应力分析设计方法的进展和评述 姓名：XXX 部门：XXX 日期：XXX
压力容器应力分析设计方法的进展和评述压力容器的使用范围非常的广泛，在此基础上，我们一定更加重视其使用的效果。其中，压力容器应力分析是重要的工作，所以，讨论压力容器应力分析设计工作很有必要。压力容器概述 1.1.概念 所谓的压力容器是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。贮运容器、反应容器、换热器和分离器均属压力容器。 1.2.用途 压力容器的用途十分广泛。它是在石油化工学、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。分析设计方法 在ASME老版中分析设计方法的全称是“以应力分析方法为基础的设计”,简称“应力分析设计”,再简称为“分析设计”。它的特点是: 2.1.要求对压力容器及其部件进行详细的弹性应力分析。可以采用理论分析、数值计算或试验测定来进行弹性应力分析。 2.2.强度校核时采用塑性失效准则。包括用极限载荷控制一次应力,以防止整体塑性垮塌失效。用安定载荷控制一次加二次应力以及用疲劳寿命控制最大总应力,以防止循环失效等。 第 2 页共 6 页
2.3.根据塑性失效准则对弹性应力进行分类。 2.4.根据等安全裕度原则确定危险性不同的各类应力的许用极限值。综合起来可以说,“应力分析设计”是一种以弹性应力分析和塑性失效准则为基础的应力分类设计方法。近年来被简称为“应力分类法”。早期(老版中)的“分析设计”只包含这一种方法。随着先进的力学分析方法和手段的不断成熟(即其有效性和可靠性达到实际工程应用的水平),ASME新版和欧盟标准都及时地扩充了“分析设计”采用的方法,同时对“分析设计”的含义也有所调整。最突出的表现为: 2.4.1.从弹性应力分析扩充到弹塑性分析。和应力分类法(弹性应力分析方法)并行地提出了弹塑性分析方法和极限载荷分析方法(ASME)或直接法(欧盟)。 2.4.2.把能够给出显式表达式的解析解都调整到“规则设计”中,“分析设计”只规定通用性强的数值分析方法。另一方面,在“规则设计”公式的强度校核中又引入了应力分类的思想。 随着时间的推移和科学的发展,“分析设计”的方法和内容还会有新的扩充和调整。在现阶段可以说,“分析设计”是一种以塑性失效准则为基础、采用先进力学分析手段的压力容器设计方法。先进的材料、工艺和检测水平是保证分析设计能得以实施的前提条件。应力分类法 3.1.应力分类法是当今分析设计的主流方法 应力分类法有如下优点: 3.1.1.简单。采用工程设计人员非常熟悉的弹性应力分析方法。应力评定时直接给出各类等效应力的许用值,因而应力分类后的强度校核与常规设计类似。 第 3 页共 6 页