摘 要

近几年来，我国在钢桥建设方面飞速发展，钢桁架桥发展迅速，在这种情况下，一些问题无法回避地出现在我们面前：20世纪初修建的公路钢桥已经服役了一个世纪，这些钢桥属于老龄化钢桥。在服役期间，公路钢桥由于受到环境侵蚀、材料老化等因素，结构不断地损伤、承载力逐渐减弱，其剩余使用寿命已经达不到预期的要求，并且有些服役时间较长的钢桥由于设计之初考虑的因素较少，早年的设计标准、荷载等级较低，已经不适应目前的交通状况。如何准确地评估这些钢桁架桥，对这些老龄化钢桥进行疲劳验算成为了一大难题。本文具体研究内容如下：

（1）介绍了疲劳的基本概念，S-N疲劳曲线，钢桥疲劳问题的重要性以及疲劳问题的研究现状。

（2）用ANSYS软件建立了一个钢桁架桥模型，在模型上施加荷载（包括一期恒载，二期恒载以及活载），分析全桥的受力分布，计算各个杆件的应力幅并找出了其中的最大值。

（3）介绍了我国公路钢桥抗疲劳设计的规范和方法，详细介绍了无限寿命设计法以及安全寿命设计法。对疲劳寿命理论进行了研究，介绍了传统疲劳寿命评估方法中的名义应力法，疲劳损伤累计理论，基于断裂力学的疲劳寿命评估方法以及可靠度方法，给出了用名义应力法对钢桥进行疲劳寿命评估的具体步骤。

（4）结合平阴黄河公路大桥各个杆件的应力谱，对平阴黄河公路大桥进行了疲劳验算，得出了各个杆件的疲劳损伤度以及使用寿命。

关键字：钢桁架桥；疲劳；名义应力；Miner准则；S-N曲线；应力谱

Abstract

In recent years,China has made rapid progress in the construction of steel bridges,and steel truss bridges have developed rapidly. Under such circumstances,some problems cannot be avoided. The road steel bridges constructed in the early 20th century have been in service for a century. These steel bridges are aged steel bridges. During service,due to factors such as environmental erosion and material aging,the steel bridges of highways are constantly damaged and the bearing capacity is gradually weakened. The remaining service life of the highway steel bridges has not reached the expected requirements. Some of the steel bridges with longer service periods have fewer considerations for the design. The early design standards and the lower load levels have not been adapted to the current traffic conditions. How to accurately evaluate these steel truss bridges has become a major problem for fatigue checking of these aging steel bridges. The specific research content is as follows:

(1) The basic concepts of fatigue,S-N fatigue curves,the importance of fatigue problems in steel bridges and the research status of fatigue problems are introduced.

(2) A steel truss bridge model was established using ANSYS software. Loads were applied to the model (including one-stage dead load,two-stage dead load,and lane load) to analyze the stress distribution of the full-bridge.

(3) The specification and method of anti-fatigue design for highway steel bridges in China are introduced. The infinite life design method and safe life design method are introduced in detail. The fatigue life theory was studied. The nominal stress method,the cumulative fatigue damage theory,the fatigue life assessment method based on fracture mechanics and the reliability method were introduced. The steel bridges were given by the nominal stress method. Fatigue life assessment specific steps.

(4) Check the fatigue of Pingyin Yellow River Highway Bridge,and obtain the fatigue damage degree and service life of each member.

Key words: steel truss bridge; fatigue; nominal stress; Miner criterion; S-N curve; stress spectrum

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1疲劳问题的研究背景及意义 1

1.2疲劳的概念 2

1.2.1疲劳 2

1.2.2疲劳破坏的特点 2

1.2.3 S-N疲劳曲线 2

1.3钢桥疲劳问题研究现状 3

1.4本文的工作内容 3

第2章 某钢桁架桥的ANSYS建模 5

2.1钢桁架桥节点ANSYS三维实体建模 5

2.1.1主桁结构形式的选择 5

2.1.2 ANSYS建模流程图 5

2.1.3定义材料特性 6

2.1.4定义截面尺寸 7

2.1.5输入节点 8

2.1.6连接节点建立单元 9

2.1.7单元分群 12

2.1.8添加约束 14

2.1.9添加荷载 14

2.2模型结果分析 16

2.2.1钢桁架桥杆件的强度验算 16

2.2.2杆件受力分析 25

2.2.3杆件应力幅计算 28

2.3本章小结 29

第3章 疲劳寿命理论 30

3.1我国公路钢桥抗疲劳设计规范 30

3.2公路钢桥抗疲劳设计方法 30

3.2.1无限寿命设计 30

3.2.2安全寿命设计 31

3.3疲劳寿命评估方法 31

3.3.1传统疲劳寿命评估方法 31

3.3.2基于断裂力学的疲劳寿命评估方法 34

3.3.3可靠度方法 34

3.4本章小结 35

第4章 疲劳验算实例 36

4.1应力谱 36

4.2疲劳损伤以及使用寿命计算 38

4.2.1疲劳强度曲线 38

4.2.2损伤度以及使用寿命计算 39

4.3结果分析 41

4.4本章小结 41

第5章 结论与展望 42

5.1结论 42

5.2展望 42

参考文献 43

致 谢 44

第1章 绪论

1.1疲劳问题的研究背景及意义

从19世纪以来，钢结构在生活上的应用越来越广泛，比如各种钢结构的桥梁，钢制的管道，以钢结构为骨架的船舶等等，工程技术人员已经认识到了疲劳问题并对疲劳问题进行了研究和实验，但当时对钢结构的了解还不够深刻，疲劳问题没有引起足够的重视。19世纪初，车床车轴的疲劳破坏成为了当时工程技术人员遇到的第一个疲劳问题。因此在各个涉及到钢结构的领域由于钢结构疲劳破坏导致的灾难性事故屡见不鲜。根据美国ASCE疲劳与断裂协会统计，80%~90%钢结构的破坏与疲劳裂纹有关^[1]。1939年到1945年期间，英国制造的多艘货轮由于忽略了疲劳验算，发生了疲劳事故。在1953~1954年间，由于疲劳问题，3架彗星号飞机在空中解体，造成了很严重的人员伤亡。1967年，没有任何的预兆，位于美国境内的Point Pleasant大桥轰然倒塌了，死亡46人，调查的结果显示，桥梁倒塌的原因是某一个拉环的表面由于疲劳形成了初始裂纹发生了疲劳破坏^[2]。1983年，位于美国的米尔高速公路大桥由于不明原因倒塌，桥上的几辆车及行人随即坠入江中，造成3人死亡、3人受伤，调查发现大桥的一个构件发生了疲劳破坏^[3]。

由此可见，疲劳引起的构件产生裂纹甚至于疲劳裂纹展开发生疲劳破坏是很常见的，工程实例中疲劳断裂破坏约占全部力学破坏的50%至90%，是最常见的构件失效的形式了。钢结构桥梁，例如钢桁架桥，由于在其整个使用阶段反复承受着交通荷载，很有可能会产生疲劳裂纹，应当引起足够的重视。

20世纪以来，大量的桥梁在中国建成，其中运营时间超过50年的铆接钢桥就有了大约1万多孔^[4]。在钢桥快速发展的同时，一些问题是在所难免地出现在我们面前。有些20世纪初修建的公路钢桥已经服役了一个世纪，属于老龄化钢桥。有些运营时间不长的钢桥由于设计之初，考虑的因素较少，早期的设计标准和荷载等级较低，已不适应目前快速、重载交通的要求，桥梁的使用安全性得不到保证，使得在桥梁的使用寿命内风险大大增大了。这些钢桥的状态需要我们来评估，更有一些钢桥在反复的车辆荷载作用下已经出现了疲劳裂纹，这些钢桥就更加需要对其进行评估，必要时需要及时采取相关的维修加固措施，因此对于正在运营和服役的钢桥来说，进行疲劳寿命评估势在必行^[5]。

1.2疲劳的概念

1.2.1疲劳

疲劳是用来表达材料在重复加载下的损伤的概念。《金属疲劳试验的一般原理》一文中对疲劳所做的定义是“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳”^[6]。作用于结构上的一次连续的加载和卸载就代表一次应力循环。钢构件在重复加载的应力或应力幅作用下，由于裂纹萌生、扩展而断裂，这种现象称为疲劳破坏。

1.2.2疲劳破坏的特点

疲劳破坏有如下几个特点：（1）构件发生疲劳破坏时，其循环应力低于材料的极限强度，甚至于低于材料的屈服强度；（2）疲劳破坏属于脆性破坏，即使是塑性较好的钢材，疲劳破坏也是在没有明显塑性变形的情况下突然发生的；（3）与传统的材料破坏不同，疲劳破坏是多次应力循环的结果；（4）影响疲劳破坏的因素有很多，材料本身的性质、使用条件和环境条件都会对疲劳破坏产生影响。（5）疲劳破坏的断口表面是两个不同的区域，其一是光滑区，另一个是晶粒状的粗糙区。

1.2.3 S-N疲劳曲线

对于同批次钢材做多组试件，每组试件以一个不同应力值常幅循环加载，至构件破坏时获得构件能承受的该应力幅下的循环次数，即疲劳寿命。多组试验测定各个应力幅下的疲劳寿命，以横坐标为循环次数N，纵坐标为应力幅，绘成的曲线称为材料的疲劳曲线，或称S-N曲线。S-N曲线是进行疲劳验算时非常重要的一个概念。

在直角坐标系下，构件的S-N曲线为一条曲线，表达式为：

若转化为双对数坐标系，S-N曲线接近一条直线，表达式为：

其中，A、B、C、m均为材料参数。

1.3钢桥疲劳问题研究现状

19世纪处，人们就开始了疲劳问题研究^[7]。

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