基于断裂力学的正交异性钢桥面板疲劳性能研究

摘要

正交异性钢桥面板由于具有自重轻、建筑高度小、极限承载能力大等优点，在现代钢桥建设中被广泛采用。然而其本身结构复杂，且焊缝众多，加之目前超载交通严重等外部原因，导致其所面临的疲劳问题突出。借助断裂力学，从影响疲劳裂纹扩展最重要的参量——应力强度因子K入手，对横隔板U肋弧形开槽边缘这个易损疲劳开裂细节进行疲劳性能研究，以期为正在服役的钢桥出现疲劳裂纹的情况下进行剩余寿命评估提供参考。主要研究内容如下:
　　(1)回顾正交异性钢桥面板的产生与发展，分析其几何结构和受力特点，介绍其在发展过程中所面临的疲劳问题。
　　(2)阐述了国内外关于正交异性钢桥面板疲劳研究的发展历程及现状，介绍疲劳研究的常用方法和手段以及基于断裂力学的疲劳研究现状，总结了我国目前疲劳研究方面所面临的问题。
　　(3)针对正交异性板突出的疲劳问题，选取横隔板U肋开槽弧形边缘这一主要疲劳易损细节为研究对象，建立仿真分析模型，计算在不同参数组合、不同裂纹长度条件下的裂纹尖端应力强度因子K，并利用回归分析得到了应力强度因子K的回归公式。
　　(4)将回归公式计算得到的应力强度因子K代入Paris公式进行数值积分得到了理论扩展曲线，并通过足尺模型试验，验证了该扩展曲线的合理性。
　　(5)针对不同参数组合下的钢桥面板，建立了剩余疲劳寿命评估流程，以期为工程实际应用提供参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 课题研究背景

1．2．1 正交异性钢桥面板之发展及应用

1．2．2 正交异性钢桥面板之构造特点

1．2．3 正交异性钢桥面板之受力特点

1．3 正交异性钢桥面板疲劳研究综述

1．3．1 疲劳研究发展历程

1．3．2 正交异性钢桥面板疲劳研究现状

1．3．3 运用断裂力学研究疲劳现状

1．4 本文主要研究内容

第2章 断裂力学原理及应用

2．1 线弹性断裂力学基本理论

2．1．1 裂纹的分类

2．1．2 应力强度因子准则

2．1．3 计算应力强度因子K的方法

2．1．4 疲劳裂纹的扩展与寿命评估

2．2 疲劳裂纹扩展模型关键参数确定

2．2．1 材料常数的选取

2．2．2 初始裂纹长度

2．2．3 临界裂纹长度

2．3 本章小结

第3章 应力强度因子的回归分析

3．1 有限元模型背景介绍

3．2 纵肋与横隔板连接处弧形开槽

3．3 有限元模型

3．3．1 节段模型的建立

3．3．2 模型参数的确定

3．3．3 模型加载方案

3．4 开槽处弧形边缘裂纹尖端应力强度因子的有限元计算

3．4．1 应力强度因子计算与验证

3．4．2 复合裂纹有效应力强度因子计算

3．5 复合裂纹有效应力强度因子的回归分析

3．5．1 回归分析方法

3．5．2 回归分析结果和方差分析

3．6 本章小结

第4章 疲劳裂纹扩展模拟与试验验证

4．1 试验设计

4．1．1 模型设计

4．1．2 加载及测试方案

4．2 疲劳特性验证试验及疲劳裂纹扩展试验

4．2．1 设计寿命期的疲劳特性验证试验

4．2．2 弧形开槽疲劳裂纹的扩展研究试验

4．3 弧形开槽处疲劳性能与裂纹扩展研究

4．4 剩余疲劳寿命评估

4．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士研究生学位期间参加的科研工作及论文发表