桥梁疲劳问题的基本理论分析.docx
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1、 桥梁疲劳问题的基本理论分析 谭科摘要: 本文阐述了钢桥疲劳裂纹损伤机理、发展过程及其原因,分析了断裂力学理论和疲劳累积损伤理论。关键词:桥梁;断裂力学;疲劳裂纹;疲劳寿命随着桥梁工程设计、施工技术的进步,建设规模越来越大,大型桥梁在国民经济和社会生活中起着举足轻重的作用。疲劳破坏是桥梁运营期间的一大隐患,桥梁在地震、车辆等动力荷载的反复作用下,初始裂纹扩展产生累计损伤造成构件突然断裂。由交变循环应力引起的材料力学性能劣化过程称为疲劳损伤。疲劳破坏实际上是疲劳损伤趋于某个临界值得累积过程。当损伤累积到临界值时,材料发生疲劳破坏。正确地描述材料承受循环荷载时的疲劳累积发展过程,是进行材料耐疲劳使
2、用寿命估算,进行合理的结构抗疲设计的基础。1. 疲劳裂纹1.1 疲劳损伤机理疲劳是造成桥梁损伤,影响桥梁使用年限的主要因素。目前桥梁钢结构大多使用焊接和铆接工艺,在这些区域,桥梁结构在反复荷载作用下,很容易产生应力,从而在钢结构上产生疲劳裂纹。在钢桥结构中,由于变形引起疲劳裂纹主要分为两种:一种是腹板的呼吸疲劳,当桥梁腹板的长度比、高厚比超过一定限度时,在大于屈曲荷载的面内的荷载作用下,腹板将产生更宽的面外位移,而这个面外位移又将反过来在焊接板的边缘形成较高的弯曲应力。长次以往,在反复荷载的作用下,将产生疲劳裂纹,最终使得钢结构提前失去效应。另一种疲劳裂纹是由于桥梁设计时没有料想到横向与纵向构
3、建之间相互作用而产生的,这种现象一般出现在主梁腹板的间隙节处。1.2疲劳裂纹的发展过程桥梁钢构件由于反复的变交荷载作用,在缺陷处产生极小的微裂纹,此后逐渐缓慢发展为宏观裂纹。而在裂纹起始处出现应力集中现象,使构件处于三向拉伸状态,试件截面被严重削弱,当其中反复的反复荷载达到一定的循环次数时,材料最终破坏,从而发生钢构件疲劳断裂。对于高强度材料,由于屈服强度较高、缺口敏感性大以及构件单元内部夹杂硬颗粒较多,因而往往先沿着夹杂物的截面裂开,直接进入宏观裂纹扩展阶段而没有微观阶段。在实际工程中,疲劳裂纹造成的构件破坏后,往往会留下比较明显的断口,在这里可以很清晰地观察到疲劳裂纹的发源地以及裂纹扩展的
4、整个过程。1.3裂纹产生的内外因造成疲劳破坏的内因是钢材的材料性质和局部拉应力的集中程度。外因则是应力反复的循环特征和次数。因此,在计算钢桥疲劳寿命时,需要对钢桥材料的性质、缺陷、构造形式、荷载特点和接头细部的应力分布等因素进行研究。2基于断裂力学原理的钢桥疲劳分析2.1线弹性断裂力学理论断裂力学主要研究裂纹尖端周围和前沿的材料性能。基于线性断裂力学和裂纹扩展率,即Paris律,Paris的应力强度因子理论是目前所有理论中与实验结果符合得最好的一种理论。断裂分析的基本参数是应力强度因子K:式中:为作用的应力;y(a)为有限的几何形状修正系数,与a有关;a为对表面裂缝口的裂缝宽度,或对贯穿缝口的
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