基于3D断裂力学的正交异性钢桥肋-桥面焊缝的疲劳寿命评估

摘要

正交异性钢桥面板由于其自重轻,极限承载力大,施工速度快,结构美观,易于维护等优点,从而越来越广泛应用于国内外的大跨度桥梁。而钢桥肋-桥面板焊接处由于几何突变及焊接过程中的焊接缺陷,在车辆循环载荷作用下,容易产生疲劳裂纹,及裂纹扩展便会导致结构破坏。
　　对钢桥焊缝疲劳分析的传统方法主要基于S-N曲线。而一般S-N曲线不适用于钢桥肋-面板焊接处的以压为主的拉压循环应力情况。并且S-N曲线只考虑裂纹扩展初期疲劳寿命,使得疲劳分析过于保守。基于断裂力学的疲劳分析是正交异性钢桥焊缝疲劳评估的新方法。在运用有限元法计算裂纹尖端应力强度因子时,一般将钢桥肋-面板焊接处的裂纹考虑为贯穿于整跨的长裂纹从而将其简化为2D平面模型进行分析,使得分析结果不够准确。此外,断裂力学分析方法中的Paris公式,Forman公式等计算模型也只适用于拉应力循环载荷或是循环应力比R>-1的情况。
　　本文将运用ANSYS分析疲劳载荷车的单轴双轮,双轴双轮在over-rib,in-between-rib,riding-rib的不同加载情况下正交异性钢桥肋-面板焊接处的循环应力特点,找出最危险加载方式及循环应力。并以此为基础运用PATRAN建立3D局部焊缝模型,运用基于有限元(FEM)和对称伽辽金边界元(SGBEM)叠加原理的AGILE疲劳分析模块,首次对正交异性钢桥的肋-面板焊接处的裂纹进行3D断裂力学分析。分析了3D应力状态下钢桥肋-面板焊缝处裂纹尖端应力强度因子随裂纹深度的变化情况。同时也对2D平面应变模型不能处理的裂纹形状对裂纹扩展的影响进行了分析,并比较了不同分析方法的计算结果差异。
　　本文的工作可为基于3D断裂力学的正交异性钢桥肋-面板焊缝的疲劳寿命评估提供有益的经验。

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第一章绪论

1.1课题背景及意义

1.2正交异性钢桥面板疲劳分析的国内外研究现状

1.3目前存在的问题

1.4本文的主要研究目的和内容

第二章钢桥肋-板焊接处的应力及疲劳分析原理

2.1 ANSYS疲劳分析方法

2.2 AGILE疲劳分析原理

2.3模型的裂纹疲劳扩展

第三章 钢桥肋-板焊缝应力的数值分析

3.1建立有限元模型

3.2双轮载荷下的数值模拟

第四章 正交异性钢桥U肋-板焊缝基于断裂力学的疲劳分析

4.1 ANSYS对肋-板焊接处的2D疲劳分析

4.2 PATRAN下肋-板焊接处的3D疲劳分析

4.3基于断裂力学的疲劳寿命预测

第五章总结与展望

5.1目前工作总结

5.2对今后工作的展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢