鋼橋雙軸疲勞理論及設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞行為歷來是鋼橋研究的重點(diǎn)問題之一。近年來，鋼橋發(fā)展迅速，新型結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)造細(xì)節(jié)和制造工藝不斷涌現(xiàn)。鋼橋應(yīng)用范圍的擴(kuò)大（大跨、高速、跨海、重載），導(dǎo)致結(jié)構(gòu)所承受的外荷載種類和水平逐漸增加;隨著鋼橋建造水平的不斷提高，人們對(duì)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)和美學(xué)性能要求逐漸增強(qiáng);其必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)及其結(jié)構(gòu)響應(yīng)日益復(fù)雜，材料的利用效率日益提高。這些因素將導(dǎo)致鋼橋疲勞和斷裂的可能性逐漸提高。
　　目前，鋼橋疲勞強(qiáng)度評(píng)定方法是基于名義應(yīng)力法的構(gòu)造

2、細(xì)節(jié)法;該方法以實(shí)驗(yàn)結(jié)果分類為基本依據(jù)，對(duì)材料疲勞失效機(jī)理體現(xiàn)不足。一方面，該方法不能涵蓋所有構(gòu)造細(xì)節(jié)，對(duì)鋼橋典型構(gòu)造細(xì)節(jié)和特殊構(gòu)造細(xì)節(jié)的估算能力不足。另一方面，從材料疲勞失效機(jī)理出發(fā)，鋼橋構(gòu)件局部疲勞失效區(qū)域處于復(fù)雜應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，僅考慮單軸循環(huán)荷載效應(yīng)無法合理表達(dá)鋼橋構(gòu)件的疲勞性能。本文擬從材料多軸疲勞失效理論層面解構(gòu)鋼橋構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞問題，以期形成可用于工程實(shí)踐的鋼橋構(gòu)造細(xì)節(jié)雙（多）軸設(shè)計(jì)、預(yù)測和評(píng)定方法。為此，本文展開了以下幾個(gè)方面

3、的研究工作:
　　(1)分析了影響材料疲勞強(qiáng)度的因素對(duì)鋼橋疲勞失效的影響，總結(jié)出鋼橋疲勞失效的主要特征。研究結(jié)果表明，在合理抗疲勞設(shè)計(jì)狀態(tài)下，鋼橋疲勞失效是指，以結(jié)構(gòu)服役過程中所承受的可變荷載（汽車、列車等）為主導(dǎo)因素，橋位處自然環(huán)境因素綜合影響，導(dǎo)致的材料高周、低頻疲勞問題?；仡櫫瞬牧隙噍S疲勞強(qiáng)度評(píng)定準(zhǔn)則，分析了其適用范圍，選取應(yīng)力準(zhǔn)則作為鋼橋疲勞失效的雙（多）軸評(píng)定準(zhǔn)則。
　　(2)研究了規(guī)范中典型構(gòu)造細(xì)節(jié)的評(píng)估方法，以

4、及特殊構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞失效的特征;研究成果表明，特殊構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞行為預(yù)測失效與現(xiàn)有鋼橋單軸疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法的局限性有關(guān)。在探明典型構(gòu)造細(xì)節(jié)和特殊構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞失效的力學(xué)誘導(dǎo)因素和疲勞裂紋分布狀態(tài)的基礎(chǔ)上，結(jié)合材料抗疲勞設(shè)計(jì)理論，發(fā)現(xiàn)鋼橋構(gòu)件疲勞失效具有明顯的多軸特征。進(jìn)一步提出了，鋼橋多軸疲勞失效需要解決的兩個(gè)典型問題，形成了“第一類多軸疲勞”和“第二類多軸疲勞”概念。
　　(3)回顧了疲勞強(qiáng)度評(píng)定的常用方法，比較分析了名義應(yīng)力法、熱點(diǎn)

5、應(yīng)力法和局部法的適用范圍;結(jié)合鋼橋材料疲勞特征提出，將局部法應(yīng)用于鋼橋構(gòu)件疲勞強(qiáng)度預(yù)測是求解鋼橋多軸疲勞強(qiáng)度的有效途徑;從常用的局部法中優(yōu)選出應(yīng)力場強(qiáng)法作為鋼橋多軸疲勞強(qiáng)度求解的研究對(duì)象。
　　(4)分析、研究和闡述了傳統(tǒng)應(yīng)力場強(qiáng)法的局限性。針對(duì)于此，建立了改進(jìn)應(yīng)力場強(qiáng)法。改進(jìn)應(yīng)力場強(qiáng)法，采用臨界距離法對(duì)疲勞損傷區(qū)域的描述建立了新的場徑求解方法，采用函數(shù)擬合技術(shù)更新了傳統(tǒng)應(yīng)力場強(qiáng)法的權(quán)函數(shù)求解方法。
　　(5)對(duì)比分析了求解

6、構(gòu)件局部應(yīng)力應(yīng)變場的解析法和彈塑性有限元方法。根據(jù)鋼橋構(gòu)件材料特性及受荷特征，選取合理的彈塑性有限元本構(gòu)關(guān)系模型作為鋼橋構(gòu)件局部應(yīng)力應(yīng)變場求解方法。
　　(6)采用鋼橋構(gòu)件疲勞實(shí)驗(yàn)分析了傳統(tǒng)應(yīng)力場強(qiáng)法和改進(jìn)應(yīng)力場強(qiáng)法的預(yù)測性能。研究結(jié)果表明，改進(jìn)應(yīng)力場強(qiáng)法具有較高的預(yù)測精度。
　　(7)采用傳統(tǒng)應(yīng)力場強(qiáng)法和改進(jìn)應(yīng)力場強(qiáng)法預(yù)測了鋼橋節(jié)點(diǎn)板的疲勞強(qiáng)度。在此過程中，建立了“等效壽命荷載組”和“等效場徑”的概念。二者的計(jì)算結(jié)果均表明