钢桥疲劳寿命预测新方法研究

在考虑惯性效应的I型裂纹两参数疲劳裂纹扩展方程的理论基础上，将钢桥受随机载荷谱块作用下的疲劳裂纹扩展问题通过傅里叶变换、积分中值定理等转化为一个等效的“三参数”等幅载荷作用下的疲劳裂纹扩展方程，从而提出了一个简单实用的钢桥疲劳寿命预测新方法，利用该方法有效地解决了实际钢桥的疲劳剩余寿命问题，具有极为重要的工程应用价值。本项目的研究工作主要有以下几个方面： 1、作为本项目的理论基础，深入研究了考虑惯性效应的疲劳裂纹扩展力学模型及裂纹扩展机理等新概念，对I型裂纹两参数疲劳裂纹扩展方程和速率方程表达式进行了详细的推导和论证，以及对影响疲劳裂纹扩展速率各种因素进行了分析。 2、对于随机载荷作用下疲劳寿命的计算，本项目从随机载荷谱分解入手，将随机载荷谱块作用下的疲劳裂纹扩展问题转化为一个等效的“三参数”等幅载荷作用下的疲劳裂纹扩展问题，从而提出了随机载荷下“三参数”疲劳裂纹扩展方程。并且通过国内外CCT试件试验数据验证了“三参数”疲劳裂纹扩展方程的有效性。 3、把本项目提出的随机载荷作用下疲劳裂纹扩展预测新方法与《随机载荷谱裂纹扩展寿命模型》其它各种寿命模型理论进行了对比分析，结果表明研究中提出的方法无论是计算的简便性还是与试验结果的吻合程度都优越于其它各种模型理论。 4、首次提出了一个简单实用的钢桥疲劳寿命预测新方法，重点分析了随机载荷作用下的疲劳裂纹扩展方程“三参数”的物理意义。详细叙述了应用该方法对钢桥进行寿命评估的三个基本前提条件和计算步骤。归纳了一些常见桥梁结构的应力强度因子及相应的裂纹扩展方程。 5、本课题设计钢箱梁结构试验模型验证本申请项目提出的钢桥疲劳寿命预测新方法。通过监测钢结构的裂纹长度随时间的变化关系，准确地计算出其后裂纹长度随时间变化的曲线，从而预测其剩余疲劳寿命，并与最终试验结果进行比对，结果发现本课题提出的钢桥疲劳寿命预测新方法与最终试验结果吻合程度较高，证明本项目提出的钢桥疲劳寿命预测新方法是可靠的。 2100433B

鉴于钢桥疲劳破坏给人们的生命财产带来了巨大的损失和危害，世界各国都举倾国之力对钢桥的疲劳寿命问题及相关的理论基础展开了持久的研究。但以往的研究未能反映疲劳裂纹扩展的内在规律，远不能满足现实的需要。本申请课题组已从基本的力学观点出发，建立等幅交变载荷作用下的疲劳裂纹扩展方程。但由于钢桥承受的是随机载荷谱，本申请项目就从随机载荷谱分解入手，通过建立随机谱块载荷与等幅载荷的联系，把随机谱块载荷作用下的疲劳裂纹扩展方程转化为等效的等幅载荷下的疲劳裂纹扩展方程，建立一个包含结构宏观尺寸及变化的具有多个待定常数的普适的钢桥疲劳裂纹扩展方程，而这些待定常数均有其明确的物理意义。从而提出一个简单实用的钢桥疲劳寿命预测新方法。仅仅通过现场测量得到起始时间段的裂纹长度随时间变化的曲线，就能计算出钢桥其后裂纹长度随时间变化的曲线，从而能够有效地解决实际钢桥的疲劳剩余寿命问题，具有极为重要的理论意义和应用价值。

焊接钢梁概况

20世纪60年代后，焊接技术广泛应用于钢桥等大型钢结构中。随着日益加重的交通运输，许多焊接钢桥出现了疲劳裂纹，于是对这些钢桥疲劳寿命的预测将尤为重要。对于含有缺陷或裂纹的焊接结构，主要研究裂纹扩展寿命，大多采用Paris裂纹扩展公式da/dN=C（△K）^m对裂纹扩展寿命展开研究。

焊接钢构件的概率疲劳寿命曲线和概率裂纹扩展速率曲线是进行钢结构疲劳可靠性设计和服役期间剩余疲劳寿命可靠性评估所必须的。

焊接钢梁参数研究

大尺寸焊接钢梁的疲劳寿命服从对数正态分布。在裂纹扩展速率表达式中的参数m为定值时，通过裂纹扩展寿命基本公式计算得到的参数C也服从对数正态分布。应用概率断裂力学方法对焊接钢梁在给定可靠度下的疲劳寿命进行预测,得出含有缺陷或裂纹大尺寸构件的疲劳寿命主要是裂纹的扩展寿命。由于钢种对寿命的影响很小，所得结果对于我国钢桥的剩余疲劳寿命可靠性评估有重要的参照价值。

在循环加载下，产生疲劳破坏所需的应力和应变循环数成为疲劳寿命。对实际构件疲劳寿命常以工作小时计。构件在出现工程裂纹以前的疲劳寿命称为裂纹形成寿命或裂纹起始寿命。工程裂纹指宏观可见或可检的裂纹，其长度无统一规定，一般在0.2--1毫米范围内。自工程裂纹扩展至完全断裂的疲劳寿命称为裂纹扩展寿命。总寿命时二者之和。

《钢桥疲劳与维护》系统介绍了钢桥疲劳基本理论和维护技术，是作者吉伯海、傅中秋近十年来关于钢桥疲劳与维护研究的阶段成果。其中，理论研究方面包括疲劳开裂特征、基于随机实测车流的钢桥振动响应、焊接疲劳性能和构造对疲劳性能的影响；技术研究方面包括疲劳的评定技术、检测技术、钻孔止裂技术、冲击闭合技术、开裂技术，并对疲劳预防性维护进行了探讨。

《钢桥疲劳与维护》内容全面，考虑实桥养护工作需求，可供从事钢桥维护及管理的技术人员和科研人员参考，亦可作为桥梁工程专业研究生教材使用。