摘 要

现在世界各地还存有大量建于 20 世纪初的钢桁架桥，疲劳已成为控制其使用寿命的主要因素，因而它们的疲劳使用寿命问题得到了工程界的极大关注。但我国这方面的研究开展的较晚，只有少数学者做过为数不多的几座此类的实桥评估。针对我国目前的研究现状，本文系统地探讨了钢桁架桥的疲劳问题、加固方案和疲劳寿命评估问题，主要工作内容有：

第二章主要对钢桥疲劳剩余寿命评估的基本理论作了简要讲解，包括钢桥抗疲劳设计方法的简介，疲劳累积损伤理论、常用的疲劳寿命估算方法等。其中对通过S-N曲线评估钢桥疲劳寿命进行了详细的分析，包括评估的基本原理、加固前后疲劳寿命的变化等。

第三章详细介绍了钢桁架桥断裂力学模型的建立，将试验所用的横梁按照真实材料特性进行了建模处理。

根据实际情况，在第四章提出了用钢板进行横梁加固的方案。通过对加固前后的钢桁架静力分析，根据各个方向最不利位置的应力变化情况对给出的加固方案进行了有效的评测。认为钢板加固将Y方向应力减小了50%以上，X、Z方向应力减小为未加固时的几十甚至上百分之一，完美解决了局部应力过大的问题。将静载试验数据和ANSYS软件模拟的计算数据进行对照，进一步验证了试验数据的可靠性。根据测点的位置和试验数据，得出应力分布的危险位置为加劲肋和腹板连接的下部及周围区域。

第五章对加固前后的模型进行了S-N曲线法估算疲劳寿命，得出加固后的横梁疲劳寿命远高于未加固横梁。介绍了疲劳试验的基本过程。对疲劳试验的数据进行了筛选和分析，结合线性疲劳累积损伤理论进行了横梁的损伤度计算。对试验施加的循环荷载和循环次数之间的关系进行了拟合，得到了两者的关系式为三次函数关系。

关键词：钢桁架桥；疲劳寿命评估；S-N曲线；裂纹扩展；断裂力学模型；钢桥加固

Abstract

There are still a lot of steel truss bridges built in the early 20th century around the world. Fatigue has become the main factor to control its service life, so its fatigue life problem has got the attention of the whole engineering. However, the research in this field was carried out relatively late in China, only a few scholars have done a few kinds of real bridge assessment. n view of the current research situation in China, this paper systematically discusses the fatigue of steel truss bridge, strengthening plan and fatigue life evaluation problems, The main contents are as follows：

The second chapter mainly introduces the basic theory of fatigue residual life evaluation of steel bridge, including the brief introduction of fatigue resistance design method of steel bridge, fatigue cumulative damage theory, common fatigue life estimation method, etc. The fatigue life of steel bridge is evaluated by s-n curve in detail, including the basic principle of evaluation, the change of fatigue life before and after reinforcement, etc.

The third chapter introduces how to make the steel truss bridge fracture mechanics model. The beam used in the experiment was modeled according to the real material characteristics.

According to the actual situation, the fourth chapter puts forward the plan of reinforcing the beam with steel plate. Based on the static analysis of steel truss before and after reinforcement, the reinforcement scheme is evaluated according to the stress change of the most disadvantageous position in each direction. It is believed that the steel plate reinforcement can reduce the stress in the Y direction by more than 50%, and the stress in the X and Z directions can be reduced to tens or even 1% of that in the unreinforced direction, which perfectly solves the problem of excessive local stress. The reliability of the test data is further verified by comparing the static test data with the calculated data simulated by ANSYS. According to the position of the measuring points and the test data, the dangerous position of the stress distribution is found to be the lower part and the surrounding area connected by the stiffener and the web.

In chapter 5, the fatigue life of the model before and after reinforcement is estimated by s-n curve method, and the fatigue life of the beam after reinforcement is much higher than that of the unreinforced beam. The basic process of fatigue test is introduced. The data of fatigue test were screened and analyzed, and the damage degree of beam was calculated according to the theory of linear fatigue cumulative damage. By fitting the relationship between the cyclic load and the number of cycles, the relation between the two is obtained as a cubic function.

Key Words: Steel truss bridge; Fatigue life assessment; S-N curve; Crack propagation; Fracture mechanics model; Steel bridge reinforcement

目 录

第1章绪论 1

1.1引言 1

1.1.1疲劳的概念 1

1.1.2剩余寿命概念 2

1.2疲劳问题的提出和意义 2

1.3疲劳问题的研究历史和国内外现状 3

1.4本文依托工程 4

1.5本文研究内容 5

1.6本文技术方案 5

第2章疲劳分析理论基础 7

2.1结构疲劳破坏的基本概念 7

2.2疲劳累积损伤理论 7

2.2.1线性疲劳累积损伤理论 7

2.2.2非线性疲劳累积损伤理论 8

2.2.3概率疲劳累积损伤理论 10

2.3常用的疲劳寿命估算方法 11

2.3.1 S-N疲劳曲线法 11

2.3.2局部应力-应变法 17

2.3.3断裂力学法 18

2.4本章小结 20

第3章 钢桁架桥横梁节点建模 21

3.1各联钢桁梁桥模型 21

3.1.1设计资料 21

3.1.2建模分析 22

3.2横梁节点模型的建模 23

3.2.1加固前节点模型的建立 23

3.2.2加固后节点模型的建立 24

3.2.3建模过程简述 25

3.3本章小结 27

第4章 横梁节点静力分析及防裂措施 28

4.1防裂措施的方案 28

4.2节点加固后模型图 28

4.3节点模型静力分析 29

4.3.1加固前节点模型静力分析 29

4.3.2加固后节点模型静力分析 34

4.4T1梁静力静载分析与试验对照 38

4.4.1 T1梁静力荷载和约束施加位置 38

4.4.2试验过程简述 39

4.4.3试验数据与模拟数据的对照分析 39

4.5本章小结 49

第5章 横梁疲劳寿命评估 50

5.1 疲劳荷载 50

5.2 S-N曲线法估算疲劳寿命 50

5.2.1加固前模型疲劳寿命估算 50

5.2.2加固后模型疲劳寿命估算 51

5.3断裂力学法估算剩余寿命 53

5.4试验试样设计 57

5.4.1 原设计横梁（未加固，共三个试件） 57

5.4.2加固后含预制裂纹试件二个 60

5.4.3构造详图 61

5.4.4试件与反力架的连接 64

5.5疲劳试验方案 65

5.5.1试验目的 65

5.5.2试验要求 65

5.5.3试验仪器技术指标 65

5.5.4疲劳试验布置 67

5.6疲劳试验测点布置图 68

5.7试验过程简述 69

5.8线性累积损伤理论计算试验横梁损伤度 70

5.9试验数据对照 70

5.10本章小结 73

第6章结论与展望 74

6.1结论 74

6.2展望 75

参考文献 76

附录A 77

致 谢 85

第1章绪论

1.1引言

随着二十一世纪缓缓走过了五分之一，经济和科技水平飞速发展，桥梁作为一个国家现代化的标准之一，控制着国家经济发展的命脉，随着世界各国学者对钢材力学性能的逐步认识，钢材制造的技术也愈发成熟，到如今钢材的连接技术也不断完善，世界各国都在桥梁建设方面投入大量的人力和物力，大量的钢桥也随之投入使用。但是由于桥梁规范在桥梁早期设计时等级较低，加上许多桥梁建筑所使用的材料在当时制造技术低下，使得钢桥的材料存在着普遍的老化和退化现象。随着时间的累积，这些钢桥长期承受外界环境如雨水、大风的侵蚀作用和十分繁重的交通荷载，致使现在大量的刚桥老龄化严重。这些老龄化严重的刚桥大都存在着疲劳裂纹或累积损伤，承载能力大大下降。这些问题不但会导致桥梁的运营受到很大的威胁，更会对结构的安全性造成危害。如果这些问题没有受到重视，在时间的积累下会使桥梁的裂纹逐渐扩大甚至会使桥梁突然倒塌，给人民的生命和财产安全以及社会的繁荣稳定带来不可估量的破坏。因此，对在役钢桁架桥的疲劳状态和剩余寿命的评估以及对钢桁架桥疲劳裂纹扩展规律的研究是非常重要且具有现实意义的。

1.1.1疲劳的概念

“fatigue”是疲劳一词的英文，疲劳的概念在开始提出时就是为了表述材料在循环荷载作用下材料本身所发生的损伤及破坏^[1]。由陈传尧所著，华中科技大学出版社出版的《疲劳与断裂》一书中对疲劳所作的定义是“材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化”。疲劳问题和传统的强度问题有着本质的区别，区别具体如下：疲劳问题是多次应力循环累积作用的结果；疲劳问题产生破坏的循环应力通常低于材料的极限强度，甚至比材料的屈服强度还要低；疲劳问题所产生的破坏是脆性破坏，没有明显的塑性变形；疲劳破坏不仅与材料本身的特性有关，还与材料的使用条件和环境因素有关。疲劳破坏主要是由外因和内因两个方面的因素影响。外因是指应力反复的循环特征和循环次数；内因则是钢材的材料特性和局部拉应力的集中程度。疲劳破坏主要是由疲劳裂纹形成阶段和疲劳裂纹发展扩展阶段所组成，具体的疲劳破坏流程图如图1.1所示。