基于非概率集合理论的屋面板风致疲劳寿命估计

孙大奇，朱 颖，刘晓光，双 妙

(1. 中国铁道科学研究院，北京 100081；2. 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；3. 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；4. 国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100095)

1976 年Morgan 和Beck[1]对澳大利亚达尔文地区的风灾调查和实验研究中指出，金属屋面板的风致疲劳是Tracy 飓风造成损失的主要因素。然而，现有研究成果多集中于风荷载极值取值和结构在极值风荷载作用下的强度计算和变形校核，对疲劳损伤问题研究不足。由于屋盖结构的气动外形，来流在金属屋面板上形成特征湍流，使结构在屋盖边缘受到很大的交变应力，忽视疲劳设计会造成严重的损失。

现有的结构疲劳分析方法大致可以分为时域方法和频域方法，时域方法是从结构响应的应力时程出发，利用计数法直接提取结构响应的应力幅后，根据常幅S-N 曲线和变幅疲劳寿命预测的修正线性Miner 准则，对结构疲劳寿命进行估计[2]。而频域方法是通过随机振动理论由荷载的功率谱密度得到结构响应的应力功率谱密度，对于窄带过程按单位时间内超越零界限的期望率估计疲劳寿命，对于宽带过程则按极大值次数的期望值计算疲劳寿命[3]。

风致疲劳估计方法最初由Davenport[4]提出，建立在频域疲劳分析方法的基础上，假定结构在风载作用下的应力响应服从窄带高斯分布，根据窄带高斯过程的极值满足瑞利分布，依据Wirsching的经验公式[5]计算疲劳损伤，并假定平均风速满足Weibull 分布进而得到结构的风致疲劳寿命[6]。……