基于断裂力学的斜拉桥锚拉板疲劳寿命评估

摘要

在大跨钢或钢混叠合梁斜拉桥中，索梁锚固结构种类较多，是关键的受力部位，其中锚拉板式因具有构造简单、安装和维修方便、传力路径明确等突出优点，近年来得到广泛应用，但是由于焊缝分布复杂、应力集中严重，在汽车荷载作用下，疲劳问题较为严重。本文以乌江大桥锚拉板为例，综合应用断裂力学计算理论、结构有限元分析理论和结构可靠度理论，建立了基于断裂力学的锚拉板疲劳寿命评估方法，为解决锚拉板的疲劳问题提供了有效的评估方法。
　　本文的研究工作具体如下:
　　(1)阐述了钢桥疲劳问题的研究现状。分别总结了疲劳问题的研究简史和现有的几种疲劳研究方法;介绍了钢桥抗疲劳设计的基本流程;对锚拉板的应用情况及研究现状进行了介绍，同时分析了锚拉板的构造和受力特点，并由此识别了锚拉板的典型疲劳构造细节。
　　(2)开展断裂力学方法研究。研究了应力强度因子的计算方法，对锚拉板典型疲劳细节分别采用解析法和有限元仿真分析法计算了裂纹尖端的应力强度因子，并分析了其变化规律。
　　(3)开展基于断裂力学的锚拉板疲劳寿命评估方法研究。首先建立乌江大桥的全桥有限元模型，确定了受力最具代表性的锚拉板位置，将最新钢桥规范的疲劳荷载计算模型按索力影响线加载，得到了锚拉板的疲劳荷载谱;结合局部有限元模型得到各典型疲劳细节的应力脉;利用疲劳裂纹扩展模型的Paris公式积分获得了各细节的疲劳寿命。
　　(4)开展疲劳可靠性研究。在钢桥疲劳可靠度理论的基础上，建立了基于断裂力学的疲劳可靠度模型，讨论了各基本随机变量的分布特征以及目标可靠度指标的合理取值，并由此得到了锚拉板可靠度指标与使用寿命之间的关系曲线。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 钢桥疲劳研究现状

1．2．1 基于S-N曲线的钢桥疲劳研究现状

1．2．2 基于断裂力学的钢桥疲劳研究现状

1．2．3 基于扩展有限元法的钢桥疲劳研究现状

1．2．4 疲劳可靠性研究现状

1．3 锚拉板研究现状

1．4 工程概况

1．5 本文研究内容

第2章 钢桥疲劳分析理论

2．1 疲劳基本理论

2．1．1 疲劳的定义及特点

2．1．2 疲劳强度的影晌因素

2．1．3 提高焊接钢桥疲劳强度的方法

2．2 抗疲劳设计方法

2．2．1 无限寿命设计

2．2．2 安全寿命设计

2．2．3 损伤容限设计

2．2．4 抗疲劳设计流程

2．3 锚拉板疲劳问题分析

2．3．1 锚拉板构造

2．3．2 锚拉板受力分析

2．3．3 锚拉板典型疲劳构造细节

2．4 本章小结

第3章 线弹性断裂力学基本理论

3．1 裂纹尖端应力场

3．2 应力强度因子的计算方法

3．2．1 解析法

3．2．2 有限元法

3．3 疲劳裂纹扩展模型

3．4 断裂准则

3．5 锚拉板应力强度因子分析

3．5．1 典型疲劳细节应力分析

3．5．1 应力强度因子计算

3．6 本章小结

第4章 乌江大桥锚拉板疲劳寿命评估

4．1 疲劳评估步骤

4．2 全桥受力分析

4．2．1 Midas模型介绍

4．2．2 索力影响线

4．3 疲劳荷载计算

4．3．1 疲劳荷载计算模型Ⅰ

4．3．2 疲劳荷载计算模型Ⅱ

4．3．3 疲劳荷载计算模型Ⅲ

4．4 基于断裂力学的疲劳寿命评估

4．4．1 初始裂纹

4．4．2 临界裂纹

4．4．3 材料参数C和m

4．4．4 疲劳寿命计算

4．5 足尺模型疲劳试验

4．5．1 试验模型设计

4．5．2 试验结果分析

4．6 本章小结

第5章 基于断裂力学的疲劳可靠性分析

5．1 结构疲劳可靠度理论

5．1．1 结构可靠性和可靠度

5．1．2 结构极限状态方程

5．1．3 失效概率与可靠度指标

5．2 结构可靠度计算方法

5．2．1 一次二阶矩法

5．2．2 蒙特卡罗法

5．3 LEFM极限状态方程及随机参数特征

5．4 疲劳寿命可靠度分析结果

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文