鋼橋雙軸疲勞理論及設計方法研究.pdf

1、構造細節(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，新型結構形式、構造細節(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），導致結構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，人們對結構經濟和美學性能要求逐漸增強;其必然導致結構構造細節(jié)及其結構響應日益復雜，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造

2、細節(jié)法;該方法以實驗結果分類為基本依據(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造細節(jié)，對鋼橋典型構造細節(jié)和特殊構造細節(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件的疲勞性能。本文擬從材料多軸疲勞失效理論層面解構鋼橋構造細節(jié)疲勞問題，以期形成可用于工程實踐的鋼橋構造細節(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，總結出鋼橋疲勞失效的主要特征。研究結果表明，在合理抗疲勞設計狀態(tài)下，鋼橋疲勞失效是指，以結構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。回顧了材料多軸疲勞強度評定準則，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)范中典型構造細節(jié)的評估方法，以

4、及特殊構造細節(jié)疲勞失效的特征;研究成果表明，特殊構造細節(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。在探明典型構造細節(jié)和特殊構造細節(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，結合材料抗疲勞設計理論，發(fā)現(xiàn)鋼橋構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;結合鋼橋材料疲勞特征提出，將局部法應用于鋼橋構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)鋼橋構件材料特性及受荷特征，選取合理的彈塑性有限元本構關系模型作為鋼橋構件局部應力應變場求解方法。
　　(6)采用鋼橋構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。二者的計算結果均表明