钢桁桥主梁新构造细节的疲劳性能试验及疲劳寿命评估方法研究

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1、国内图书分类号：U443.32密级：公开国际图书分类号：西南交通大学研究生学位论文钢桁桥主梁新构造细节的疲劳性能试验及疲劳寿命评估方法研究年级二〇一四级姓名廖平申请学位级别工学博士专业桥梁与隧道工程指导老师赵人达教授二零一八年五月ClassifiedIndex:U443.32U.D.C:SouthwestJiaotongUniversityDoctorDegreeDissertationSTUDYONTHEFATIGUEPERFORMANCEEXPERIMENTSANDFATIGUELIFEASSESSMENTMETHODSFORTHEGIRDER’SNEWSTRU

2、CTURALDETAILSOFSTEELTRUSSBRIDGEGrade:2014Candidate:LIAOPingAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpeciality:BridgeandTunnelEngineeringSupervisor:Prof.ZHAORendaMay2018西南交通大学博士研究生学位论文第I页摘要由于钢桥具有自重轻、跨越能力大、施工快捷等诸多优点，已被广泛应用于大跨度公路与铁路桥梁中。目前，钢桥在服役过程中车辆超载现象日益严重，加上管理维护措施不到位，疲劳问题日趋突出。在钢桥设计与

3、建造中存在一些局部几何构造、应力场复杂的焊接细节，针对这些焊接细节的疲劳性能需进行深入研究。因此本文以钢桁桥主梁新构造细节为研究对象，开展主梁新构造细节的疲劳性能试验及疲劳寿命评估方法研究。主要研究内容、方法和研究成果如下：（1）收集并阐述了钢桥疲劳寿命评估方法的研究现状，介绍了疲劳设计准则和抗疲劳设计方法，归纳总结了疲劳性能的影响因素。（第1章）（2）设计并开展了15个主梁新构造细节疲劳试件的疲劳性能试验，测试了各主梁新构造细节疲劳试件的加载应变和疲劳寿命，分析了疲劳破坏过程及疲劳损伤发展历程，基于疲劳试验结果拟合了主梁新构造细节中带过焊孔的焊接细节和过焊孔处填半

4、圆弧板的焊接细节的S-N曲线。（第2章）（3）采用ANSYS有限元软件建立了主梁新构造细节的三维有限元模型，对比分析了主梁新构造细节的静力加载应变测试结果与有限元计算结果，研究结果表明：测试结果与有限元计算结果较为吻合。介绍了焊接细节局部应力集中系数的影响因素，结合主梁新构造细节的几何构造参数和焊接参数，探讨了板件厚度、填板厚度、对接焊缝参数、板件间隙宽度、焊缝熔深参数和初始几何缺陷对主梁新构造细节的翼缘板、腹板和焊缝应力集中系数的影响规律。研究结果表明：对主梁新构造细节中带过焊孔的焊接细节局部应力集中系数影响显著的因素主要有板件厚度、过焊孔半径，对主梁新构造细节中

5、过焊孔处填半圆弧板的焊接细节局部应力集中系数影响显著的因素主要有填板厚度、焊脚尺寸、板件厚度、过焊孔半径、板件间隙参数，对主梁新构造细节中焊缝错开的焊接细节局部应力集中系数影响显著的因素主要有初始几何缺陷、对接焊缝余高、板件间隙参数。（第3章）（4）介绍了热点应力法的基本原理，归纳总结了表面外推法、厚度线性化法、Dong法、1mm法和等效热点应力法等热点应力计算方法，采用ANSYS所建立的主梁新构造细节三维有限元模型讨论了单元类型和焊接细节局部构造处理方式等热点应力影响因素，应用表面外推法、Dong法、1mm法计算了主梁新构造细节的热点应力，进行了主梁新构造细节的疲

6、劳寿命预测，并对各方法的预测结果作了对比分析。研究结果表明：单元类型和焊接细节局部构造处理方式对热点应力外推计算结果具有显著的影响，推荐采用两点外推法和SOLID45单元进行主梁新构造细节的热点应力外推计算，并应将热点应力外推点选择在0.5t范围之外。采用热点应力法进行主梁新构造细节的疲劳寿命预测评估时宜优先选用表面外推法，其次可选择厚度线性化法和Dong法。（第4章）（5）阐述了线弹性断裂力学的基本理论，介绍了裂纹尖端附近的应力场和位移场，采用ANSYS建立了主梁新构造细节的三维断裂力学有限元模型，应用位移法计算了主第II页西南交通大学博士研究生学位论文梁新构造细

7、节裂纹尖端的应力强度因子，讨论了主梁新构造细节的几何参数和裂纹参数对其应力强度因子的影响规律，拟合了不同裂纹形状比下主梁新构造细节的裂纹形状修正系数函数，并结合Paris公式预测了主梁新构造细节中带过焊孔的焊接细节的疲劳裂纹扩展寿命。研究结果表明：裂纹形状比和半裂纹长度对主梁新构造细节的应力强度因子影响显著，主梁新构造细节的几何参数对其应力强度因子也有一定程度的影响，其应力强度因子KI最大值均在裂纹最深点处取得。（第5章）（6）介绍了三种疲劳可靠度分析模型，阐述了主梁新构造细节疲劳可靠性分析中随机变量的分布类型及参数取值，基于线弹性断裂力学的计算分析结果及裂纹形