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大跨钢桥疲劳裂纹扩展的数值模拟研究
| 论文题名： | 大跨钢桥疲劳裂纹扩展的数值模拟研究 |
| 关键词： | 大跨斜拉桥钢箱梁钢桥;疲劳破坏;裂纹扩展;数值模拟 |
| 摘要： | 疲劳破坏是钢桥构件和其连接细节的典型破坏模式之一，疲劳裂纹（缝）的萌生和扩展不仅影响到结构的安全，也引发了大量的后期养护费用。因此，科学准确地预测裂纹的扩展对于疲劳敏感部位的维修和加固具有重要意义。本文针对大跨斜拉桥的若干疲劳易损细节，研究了随机荷载作用下疲劳裂纹扩展的数值模拟方法，所完成的主要工作如下: (1)疲劳裂纹及其扩展的断裂力学理论及方法研究。介绍了裂纹扩展的三种模式及其成因，对裂尖渐进场的描述方法、断裂参数的常用计算方法、裂纹扩展模型、裂纹扩展的数值模拟方法及其适用性进行了对比分析。 (2)提出了随机车载场和环境温度作用下的大跨钢桥疲劳裂纹扩展的数值模拟方法。通过桥梁收费系统和健康监控系统的实测数据，建立了一种面向疲劳分析的精细化车辆荷载概率模型以及环境温度模型。基于多尺度建模和子模型技术，采用最小应变能密度因子方法判定复合裂纹的扩展方向，应用局部网格重划分实现了疲劳裂纹扩展的数值模拟。 (3)通过实桥检测，对斜拉桥钢箱梁纵隔板开裂情况进行了统计分析，研究了裂纹的形态、分布特点及扩展规律。通过有限元分析，研究了纵隔板的作用及其损伤后对桥梁性能的影响，探讨了纵隔板节点区域开裂的原因，并发现较大的应力幅和交变荷载是裂纹萌生及扩展的主要原因。在此基础上，通过概率有限元分析，对润扬斜拉桥跨中纵隔板节点区域的疲劳寿命进行了预测，其结果与实桥检测结果基本吻合。 (4)基于本文提出的裂纹扩展的模拟方法，对润扬斜拉桥钢箱梁正交异性桥面板的不同部位进行了裂纹扩展分析;研究了裂纹扩展中各裂纹模式的贡献，得到了应力强度因子的时程曲线。基于线弹性断裂力学，对各细节的裂纹扩展寿命进行了预测。 上述工作为研究大跨钢桥在运营阶段的疲劳损伤机理以及推演裂纹的萌生、扩展过程等问题提供了有效的手段，可为大跨钢桥的优化设计、维护方案和加固策略提供参考。 |
| 作者： | 刘中祥 |
| 专业： | 防灾减灾工程及防护工程 |
| 导师： | 郭彤 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 东南大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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