鋼橋雙軸疲勞理論及設計方法研究.pdf

1、構(gòu)造細節(jié)的疲勞行為歷來是鋼橋研究的重點問題之一。近年來，鋼橋發(fā)展迅速，新型結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)造細節(jié)和制造工藝不斷涌現(xiàn)。鋼橋應用范圍的擴大（大跨、高速、跨海、重載），導致結(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，人們對結(jié)構(gòu)經(jīng)濟和美學性能要求逐漸增強;其必然導致結(jié)構(gòu)構(gòu)造細節(jié)及其結(jié)構(gòu)響應日益復雜，材料的利用效率日益提高。這些因素將導致鋼橋疲勞和斷裂的可能性逐漸提高。
　　目前，鋼橋疲勞強度評定方法是基于名義應力法的構(gòu)造

2、細節(jié)法;該方法以實驗結(jié)果分類為基本依據(jù)，對材料疲勞失效機理體現(xiàn)不足。一方面，該方法不能涵蓋所有構(gòu)造細節(jié)，對鋼橋典型構(gòu)造細節(jié)和特殊構(gòu)造細節(jié)的估算能力不足。另一方面，從材料疲勞失效機理出發(fā)，鋼橋構(gòu)件局部疲勞失效區(qū)域處于復雜應力應變狀態(tài)，僅考慮單軸循環(huán)荷載效應無法合理表達鋼橋構(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)造細節(jié)疲勞問題，以期形成可用于工程實踐的鋼橋構(gòu)造細節(jié)雙（多）軸設計、預測和評定方法。為此，本文展開了以下幾個方面

3、的研究工作:
　　(1)分析了影響材料疲勞強度的因素對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，在合理抗疲勞設計狀態(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）為主導因素，橋位處自然環(huán)境因素綜合影響，導致的材料高周、低頻疲勞問題?；仡櫫瞬牧隙噍S疲勞強度評定準則，分析了其適用范圍，選取應力準則作為鋼橋疲勞失效的雙（多）軸評定準則。
　　(2)研究了規(guī)范中典型構(gòu)造細節(jié)的評估方法，以

4、及特殊構(gòu)造細節(jié)疲勞失效的特征;研究成果表明，特殊構(gòu)造細節(jié)疲勞行為預測失效與現(xiàn)有鋼橋單軸疲勞強度評估方法的局限性有關。在探明典型構(gòu)造細節(jié)和特殊構(gòu)造細節(jié)疲勞失效的力學誘導因素和疲勞裂紋分布狀態(tài)的基礎上，結(jié)合材料抗疲勞設計理論，發(fā)現(xiàn)鋼橋構(gòu)件疲勞失效具有明顯的多軸特征。進一步提出了，鋼橋多軸疲勞失效需要解決的兩個典型問題，形成了“第一類多軸疲勞”和“第二類多軸疲勞”概念。
　　(3)回顧了疲勞強度評定的常用方法，比較分析了名義應力法、熱點

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

6、構(gòu)件局部應力應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)關系模型作為鋼橋構(gòu)件局部應力應變場求解方法。
　　(6)采用鋼橋構(gòu)件疲勞實驗分析了傳統(tǒng)應力場強法和改進應力場強法的預測性能。研究結(jié)果表明，改進應力場強法具有較高的預測精度。
　　(7)采用傳統(tǒng)應力場強法和改進應力場強法預測了鋼橋節(jié)點板的疲勞強度。在此過程中，建立了“等效壽命荷載組”和“等效場徑”的概念。二者的計算結(jié)果均表明