正交异性板疲劳裂纹形成寿命研究和数值计算

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1、西南交通大学硕士研究生选题报告姓名吴月峰学号12011142导师姓名卜一之职称教授专业桥梁与隧道工程研究方向现代桥式及桥梁结构设计理论题目正交异性板疲劳裂纹形成寿命实验分析研究和数值计算2013年10月10日开题报告的内容应包括(1)课题的研究意义、国内外现状分析。(2)课题研究目标、研究内容、拟解决的关键问题。(3)拟采取的研究方法、技术路线、试验方案及其可行性研究。(4)课题的创新性。(5)计划进度、预期进展和预期成果。注：(1)开题报告由各院(系、所、中心)组织实施，专家组成员由副高以上人员组成，邀请导师和督导组相关专家参加，导师担任组长。(2)专家组的作用是帮助导师和研究生执行选题

2、论证，论证意见以“通过"、“不通过”结论。通过者按计划开展论文工作，不通过者，在半年内重新开题。选题报告主要内容一、课题的研究意义、国内外现状分析近年来，正交异性板钢桥面板因为自重轻-约为混凝土桥面板的1/4,极限承载能力大，施工方便、速度快，结构美观等优点被广泛应用于国内外的大、中跨桥梁⑴o但是，正交异性板钢桥面板也因结构构造、受力复杂，应力集中明显,存在初始焊接残余应力等因素导致其疲劳问题突出。另一方面，正交异性钢桥面板局部疲劳裂纹萌牛扩展后无法有效修补，修补段作为新引入的疲劳薄弱部分无法有效遏止疲劳裂纹的进一步扩展。因此，通过准确计算正交异性刚桥面板结构的疲劳寿命并进行合理设计以确保

3、结构在规定年限内不出现疲劳裂纹是解决正交异性钢桥面板疲劳问题的有效途径之一。钢结构的疲劳破坏是指结构在低于材料强度极限的交变应力反复作用下发生材料裂纹萌生扩展并最终导致结构构件突然断裂破坏的失效形式。结构疲劳破坏是在最后突然发生的，没有明显的塑性变形，严重威胁桥梁使用安全。1966年建成的英国Severn桥(悬索桥)⑵，钢桥面板产生了大量裂纹，修复费是当初建设费的2.5倍:1954年建成的Porta桥、1961年建成的Ilaseltal桥，均为连续钢箱梁，很快钢桥钢板产生了很多裂纹，1967年12月，美国SilverBridge因为“眼杆”疲劳断裂致使46人丧生叫1994年10月韩国圣水大

4、桥因为使用抗疲劳性能较差的劣质钢材导致33人死亡17人受伤；我国自20世纪80年代以來建造了大量采用正交异性钢桥面板结构的大跨度悬索桥和斜拉桥。尽管投入运营时间较短，但一些桥梁在使用中同样产生了疲劳裂纹。2008年对对虎门大桥进行检测时，发现肉眼可见裂纹78条，潜在裂纹约160条。此外，广东马房北江大桥和厦门海沧大桥的桥面板关键疲劳部位也出现了不同程度的疲劳裂纹。据美国土木工程学会(ASCE)统计,80%〜90%钢结构的破坏与疲劳损伤有关，疲劳破坏己经成为钢结构构件破坏的三种主要形式Z-o裂纹扩展行为以及寿命预测方法的研究具有较高的理论意义和工程应用价值。疲劳破坏因没有呈现较大的塑性变形，

5、导致其最后发生无明显预兆的脆断。钢桥面板的疲劳开裂极大地缩短了其使用寿命，导致了巨大的经济损失，甚至会出现重大安全事故。正确评估它们的剩余寿命和剩余安全度，是采用加固措施保障它们使用的理论基础。2•国内外研究现状分析疲劳研究已有160多年的历史，德国矿业工程师Albert于1829年首次提出“金属疲劳”的概念⑷。19世纪40年代铁路车辆轮轴在重复交变荷载的作用下的破坏让人们认识到疲劳破坏。19世纪50年代至60年代，德国工程师Wohler在实验室进行了第一次系统的疲劳研究，以大量的关于铁路车辆轮轴的疲劳试验为基础，最先引入了S—N曲线和疲劳极限概念用。1884年Bauschingcr在验证

6、Wohler的疲劳试验时，发现了“循环软化”现彖，之后被命名为“包辛格效应”,Bauschingcr成为研究循环应力一应变关系的第一人。1903年Ewing和llumfrcy对退火铁进行了旋转弯曲疲劳试验，在试验过程中借助光学显微镜发现了在循环应力作用下晶体中产生的滑移线，并把疲劳破坏与滑移联系起来，在疲劳机理的研究方面边出了一大步。1920年Griffith发表了他对脆性断裂的理论计算和用玻璃做的实验结果，这一理论已成为现代断裂力学的基础。20世纪50年代以来，闭环电液伺服试验机的使用，可以更好地模拟试件、构件或结构的实际荷载历程，使疲劳研究有了很大进展。电子显微镜的使用为进一步弄清疲劳

7、机理开辟了新的途径。Irwin于1957年提出应力强度因子K的概念，为线弹性断裂力学及疲劳裂纹扩展寿命的预测奠定了基础。1962年Paris提出了疲劳裂纹扩展公式，开辟了疲劳寿命预测的新领域，这使得疲劳裂纹扩展寿命预测得到了快速的发展。至此，线弹性断裂力学理论为指导疲劳强度设计提供了理论基础⑹。1962年Dugclalc提出了著名的窄带屈服区模型，1966年曼森(Manson)提出了"双线性损伤法则在累积疲劳上的应用”，