摘 要

近年来，随着世界范围内既有桥梁在频繁超载、环境侵蚀等因素作用下因疲劳累积损伤导致失效坍塌的事故频发，公路桥梁疲劳失效问题越来越受到各国学者的关注。以往人们主要通过疲劳试验来研究钢筋混凝土结构的疲劳损伤失效问题，但由于疲劳试验费时费力、易受实验条件的限制等原因，学者尝试采用数值方法来模拟这类结构复杂的疲劳损伤乃至失效的过程。然而已有的方法还存在模拟理论复杂、效率不高等原因，研究工作尚待深入。

本文借助大型通用有限元分析软件（ANSYS）对某一典型桥墩进行三维建模并进行数值模拟对正常使用情况进行了比较分析，所得结果对于研究桥墩在循环荷载下因疲劳而引起损伤有重要的指导意义。

论文主要研究了桥墩在循环荷载下产生的病害及寿命评估。通过收集交通数据资料，在ANSYS中进行有限元分析，得出桥墩应力图，并最终计算桥墩使用寿命。

研究结果表明：混凝土桥墩疲劳产生的主要原因以火车、汽车等循环荷载的长期作用为主。桥墩在长期的使用下，收到反复的加载作用，在多次的循环荷载施加下，混凝土桥墩受到的损害不断累积，桥墩的强度、刚度和耗能能力随之同步产生退化。

本文特色在于国内外鲜有相关研究，通过有限元软件分析利用应力谱寿命谱可较准确的得出桥墩的使用年限。

关键词：桥墩疲劳、循环荷载、使用寿命、应力谱

Abstract

In recent years, with the scope of the world ，Bridges are in frequently overload, environmental erosion and other factors what make the collapses frequently happen.000 Cause these frequent accidents, the fatigue failure of highway bridges more and more concerned by scholars of all countries. In the Past, people mainly through fatigue test to research the fatigue damage of reinforced concrete structure. But as a result of fatigue tests are time-consuming and limited by experimental conditions and other reasons. However, the existing methods still have some problems, such as simulation theory is complicated and inefficient, and the studies should be further researched.

In this article ,with the help of large-scale general finite element analysis software (ANSYS),we researched a typical pier for 3D modeling and numerical simulation of normal. The results have important guiding significance for the study of the damage caused by fatigue under cyclic loading.

In this paper, the damage and life assessment of bridge piers under cyclic loading are researched.Based on the data of traffic, finite element analysis will be carried out in ANSYS, and the bridge pier stress was obtained. Finally, the service life of the bridge pier will be calculated.

The results show that the long - term effects of cyclic loading of vehicles and trains is the main reasons for the fatigue of concrete bridge piers.In the course of repeated loading, with the increase of the time of cyclic loading, the damage of concrete bridge piers is accumulated, and the strength, stiffness and energy dissipation capacity of the bridge are degraded simultaneously.

The characteristic of this paper is that there are few related researches in the whole world, and the service life of bridge pier can be obtained by using the finite element analysis software.

Key Words：Pier fatigue、cyclicstress、service life、stress-spectra

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.3研究目标 3

1.4研究需要完成的主要内容 3

第2章 疲劳损伤理论概述 4

2.1桥墩的作用 4

2.2疲劳问题的意义 4

2.3疲劳理论 4

第3章 桥墩疲劳性能研究现状 6

3.1疲劳分析法评估使用寿命 6

3.1.1传统疲劳分析方法 6

3.1.2有限元分析法 7

第4章 公路桥梁疲劳荷载 8

4.1疲劳载荷与荷载谱 8

4.2 BS5400疲劳荷载谱与标准疲劳车 8

4.3 公路桥梁车辆荷载特征 9

4.4荷载谱编制 10

第5章 应力影响线与应力谱 12

5.1应力影响线 12

5.2应力谱 12

第6章 疲劳引起的开裂 14

6.1 宏观断裂的几种形式 14

6.2 损伤检测 14

第7章 桥墩设计与ANSYS建模 15

7.1 CAD建模 15

7.2 ANSYS三维建模 21

第8章 桥墩荷载及疲劳寿命计算 23

8.1交通数据 23

8.2 ANSYS桥墩应力云图 24

8.3 桥墩疲劳寿命计算 29

第9章 结论与展望 32

9.1 结论 32

9.2 展望 32

谢 辞 34

参考文献 35

第1章 绪论

1.1研究背景

随着我国社会经济的迅速发展人民群众的交通出行量也在日益剧增。自改革开放以来，迅猛开展的公路建设事业使得高速公路的建设得到了充分的发展，与此同时，高速的发展带来的便是以公路重要组成部分——桥梁为首的建设得以取得良好成果。我国的交通运输部门曾经给过一个详细的统计数值，到2014年年底的时候，我过得公路桥梁座数已经达到了75.71万座，总长度更是达到了4257.89万米。目前，仅长江上已建和在建的大桥已达到162座，黄河上更是达到了228座。我国建成的悬索桥、斜拉桥、拱桥和梁桥这四类桥梁的跨径均已居世界同类桥梁跨径的前列。

在这些桥梁里面，有很多桥梁都是建立在二十世纪60年代左右的，现如今车辆的载重不断上升，行车的密度也在不断增加，超载对于桥梁道路的毁坏更是不言而喻的。上世纪70年代以前，钢结构疲劳问题频发，使得人们对于钢结构疲劳问题十分重视，而混凝土结构的疲劳问题却被人们所忽略。混凝土结构由于设计时采用的允许应力比较低，因此混凝土结构因疲劳问题而产生破坏的事件鲜有发生。然而近几年来好几座大桥混凝土桥墩处均发现了因混凝土疲劳问题而产生的较长贯通裂缝。在疲劳破坏产生的破坏均为脆性破坏这一情况下，桥墩的疲劳破坏将会产生无法弥补的巨大经济损失，大量的道路桥梁无法在破坏产生后继续服役，只能停止使用。

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