栓焊鐵路鋼桁梁橋疲勞壽命預(yù)測方法研究.pdf

1、截至20世紀(jì)90年代，我國的鐵路橋梁已近3萬座。由于早期設(shè)計(jì)、施工水平的局限性和環(huán)境因素的影響，許多老橋在通行高速重載列車時的運(yùn)營能力已明顯不足。近年來，隨著鐵路電氣化的改造，列車將大大提速，對橋梁的沖擊將明顯增大。因此，對不同類型鐵路鋼橋的疲勞壽命預(yù)測方法進(jìn)行研究已是當(dāng)務(wù)之急。本文選取了栓焊鋼橋的三種典型的細(xì)節(jié)(搭接節(jié)點(diǎn)、不承載角焊縫節(jié)點(diǎn)及摩擦型高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn))為研究對象，綜合采用理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究等手段，對栓焊鋼橋基于傳

2、統(tǒng)的疲勞分析方法、基于斷裂力學(xué)的分析方法和基于損傷力學(xué)的分析方法的疲勞壽命預(yù)測進(jìn)行了系統(tǒng)研究，主要內(nèi)容和成果如下： 通過建立鐵路疲勞列車模型，采用自編的影響線動態(tài)加載程序和三點(diǎn)雨流法程序?qū)δ?4m 鋼桁梁橋不同部位桿件的應(yīng)力譜進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明：客車過橋時的應(yīng)力幅變化較貨車過橋時的大一些；應(yīng)力幅變化：豎腹桿>斜腹桿>下弦桿；疲勞壽命：下弦桿>斜腹桿>豎腹桿。 進(jìn)行了4個單面蓋板搭接節(jié)點(diǎn)在常幅和變幅荷載下的疲勞試驗(yàn)，結(jié)合

3、部分文獻(xiàn)數(shù)據(jù)得到了實(shí)際變幅壽命約是根據(jù)Miner準(zhǔn)則和常幅S-N曲線得到的預(yù)測壽命的0.88倍。通過對試件疲勞斷口的宏觀和微觀特征分析發(fā)現(xiàn)：在常幅和變幅荷載下，裂紋擴(kuò)展區(qū)的面積均很大，而最終斷裂區(qū)的面積均很小，裂紋擴(kuò)展區(qū)的疲勞輝紋間距也基本一致，但變幅荷載下的裂紋擴(kuò)展區(qū)存在少量的穿晶解理特征。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，對比分析了五種常用變幅疲勞壽命計(jì)算方法的相對優(yōu)劣，結(jié)論是：修正Miner準(zhǔn)則和Miner準(zhǔn)則的預(yù)測精度較好，均方根法和等效折算法其次

4、，改進(jìn)的均方根法最差。 對鐵路鋼桁梁橋三種細(xì)節(jié)的應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行了有限元分析，得到三種細(xì)節(jié)應(yīng)力集中系數(shù)的擬合公式，可在采用名義應(yīng)力法預(yù)測結(jié)構(gòu)疲勞壽命時使用，并做了相應(yīng)的參數(shù)分析。 對三種應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算方法進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明：J積分法和虛裂紋閉合法計(jì)算精度較好，位移相關(guān)法較差。對三種裂紋擴(kuò)展判據(jù)進(jìn)行了對比分析，計(jì)算速度和精度的對比結(jié)果表明：在計(jì)算裂紋擴(kuò)展時，最大周向應(yīng)力準(zhǔn)則和最小應(yīng)變能密度因子準(zhǔn)則要優(yōu)于最大應(yīng)變能

5、釋放率準(zhǔn)則。 對三種細(xì)節(jié)的裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了模擬分析，給出了三種細(xì)節(jié)裂紋的幾何形狀因子計(jì)算公式，并得到這三種細(xì)節(jié)裂紋擴(kuò)展過程中應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋長度的關(guān)系。 進(jìn)行了4個單面蓋板搭接節(jié)點(diǎn)、2個不承載角焊縫節(jié)點(diǎn)和2個摩擦型高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)的疲勞試驗(yàn)，建立了這三種細(xì)節(jié)基于Chaboche疲勞損傷模型的損傷演化方程，可用于鋼橋的疲勞壽命預(yù)測。 采用基于靈敏度分析的模型修正方法對鋼橋的損傷程度識別進(jìn)行了研究，在損傷識別過程中采

6、用了迭代修正，可以較好的識別出結(jié)構(gòu)在損傷程度嚴(yán)重時的損傷狀況。得出一些重要的結(jié)論：選擇靈敏度值較大的頻率對待識別參數(shù)進(jìn)行識別，結(jié)果往往比選擇所有實(shí)測頻率對其識別的結(jié)果要好；頻率加振型對待識別參數(shù)的識別結(jié)果要比僅采用頻率對其識別的結(jié)果要好：通常隨著單元損傷程度的加大，識別結(jié)果的相對誤差越小；誤判給單個單元損傷情況的識別結(jié)果帶來的誤差較之給多個單元損傷情況的識別結(jié)果帶來的誤差大；通過對頻率加噪分析，得出頻率誤差在1％以內(nèi)，其識別結(jié)果是可信的