基于应变能的钢桥面板与纵肋连接细节疲劳寿命评估方法及其可靠度研究

【摘要】：焊接残余应力与随机交通荷载为钢桥面板与纵肋焊接连接部位疲劳伤损的主要诱因。在考虑残余应力作用效应下,结合随机交通荷载实际作用效应,对钢桥面板与纵肋连接部位的疲劳性能劣化过程实时评估是保证该类桥面超长期运营安全的前提。但焊接残余应力与车致响应叠加耦合场的求解较为困难,导致目前既有的评估方法无法有效考虑和量化焊接残余应力效应。为量化焊接残余应力对结构疲劳损伤的贡献,论文以焊接残余应力与车致响应耦合叠加简化模型为基础,采用基于应变能的疲劳评估方法,对面板与纵肋连接部位疲劳寿命及其可靠度进行了深入研究。(1)详尽的介绍了钢桥面板疲劳开裂主要诱因和破坏模式。从焊接残余应力特性、疲劳评估方法、疲劳可靠度评估三个方面对国内外研究现状进行了总结分析;对当前问题研究中的不足和优缺点进行了阐述;根据研究现状的总结分析,提出了论文所研究的问题,并确定了论文的主要研究内容和目标。(2)为考虑焊接残余应力对正交异性钢桥面板疲劳寿命的影响,基于热弹塑性有限元方法建立了焊接残余应力分析模型,并结合既有文献试验数据对所建立的热弹塑性有限元模型进行验证。在此基础上分析了面板与纵肋连接部位焊接温度场及残余应力场,并提出了焊接残余应力分布公式及不同面板与纵肋厚度参数组合下关键参数。(3)针对焊接残余应力量值较大、与车致响应叠加导致的焊接连接局部塑化问题,结合类P-E法和初等梁弹塑性分析过程,提出了焊接残余应力与轮载局部应力叠加简化力学模型,并采用有限元数值模拟方法对所提出的简化模型进行了验证。(4)针对传统的疲劳寿命评价体系无法量化焊接残余应力对疲劳的影响效应的问题,提出了基于应变能的疲劳寿命评估方法。该方法有效地考虑焊接残余应力对面板与纵肋连接易损部位疲劳寿命的影响,并确定了基于应变能的疲劳评估强度曲线。最后,采用既有试验数据对确定的疲劳评估方法和疲劳强度评估曲线进行了验证。(5)为量化焊接残余应力及复杂交通荷载对面板与纵肋连接部位疲劳寿命的影响效应,建立了考虑焊接残余应力和随机交通荷载耦合作用下疲劳失效的极限状态方程和疲劳可靠度评估模型,并分析了交通总量和车重增长对疲劳可靠度的影响。(6)结合实桥监测信息对实际交通荷载信息进行了统计分析,对影响疲劳寿命随机车流关键参数分布特征进行了研究,并确定了标准化的疲劳荷载和随机车流荷载谱。考虑焊接残余应力影响效应,采用基于应变能的疲劳寿命评估方法,对面板与纵肋连接部位疲劳寿命和疲劳强度进行了评估。并以既有交通荷载为基础,对其服役期内的疲劳寿命进行了预测。在此基础上,采用建立的疲劳可靠度评估模型,对疲劳可靠度进行了评估,并分析了焊接残余应力和交通荷载对疲劳可靠度的影响规律。