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原文传递铁路钢结构桥梁节点区域腐蚀疲劳裂纹扩展剩余寿命评估研究

论文题名：	铁路钢结构桥梁节点区域腐蚀疲劳裂纹扩展剩余寿命评估研究
关键词：	铁路钢桥;横梁腐蚀;疲劳裂纹;寿命评估
摘要：	铁路钢结构桥梁在加工制作和正常使用过程中，由于各种缺陷会不可避免地产生各种裂纹，其中由腐蚀坑发展形成的腐蚀疲劳裂纹影响最大。对于长期服役于自然环境中的铁路钢结构桥梁，在列车行走荷载作用下，结构将会受到循环应力和腐蚀环境的协同、交互作用，既有裂纹会迅速扩展，以至于造成构件突然的断裂失效，甚至结构的腐蚀疲劳破坏。由此可见，腐蚀疲劳裂纹已成为铁路钢结构桥梁安全使用的重大威胁，研究铁路钢结构桥梁腐蚀疲劳裂纹扩展剩余寿命对于保证铁路钢结构桥梁的自身安全和正常使用是十分必要的。　　基于此，本文以某铁路钢结构桥梁为工程背景，采用理论与实际结合的研究思路，对列车行走荷载作用下的铁路钢结构桥梁节点区域横梁腐蚀疲劳裂纹有限元模拟、动应力分析、裂纹扩展剩余寿命评估及其影响因素展开了深入系统的研究。根据国内外对铁路钢结构桥梁腐蚀疲劳裂纹扩展剩余寿命的研究进展与成果，结合工程背景，本文主要从以下几个方面进行研究：　　（1）研究了疲劳裂纹有限元模拟方法，针对实际工程背景，采用结构多尺度分析方法中的子模型法，使用ANSYS分别建立铁路钢结构桥梁整体壳体模型，以及29组含裂纹的节点实体子模型。　　（2）根据实际工程概况，编写MATLAB程序计算出列车行走荷载，施加到铁路钢桥整体模型上得到含裂纹的节点实体子模型的荷载及边界条件，使用雨流循环计数法提取出节点实体子模型的边界处应力幅，并分别加载到裂纹扩展实体子模型上，获得铁路钢桥节点区域横梁裂纹处的应力应变时程曲线，并进行动应力分析。　　（3）依据断裂力学理论，通过位移外推法（基于ANSYS的应力强度因子计算方法），计算出铁路钢结构桥梁节点区域横梁三维疲劳裂纹的裂纹尖端应力强度因子K，并由多组裂纹扩展模型建立对应于裂纹扩展过程的应力强度因子幅数据库。　　（4）通过断裂力学的腐蚀疲劳裂纹扩展剩余寿命评估理论，采用基于Pairs公式的腐蚀疲劳裂纹扩展工程模型，利用逐循环累积叠加法，编写了基于MATLAB的腐蚀疲劳裂纹扩展剩余寿命计算程序，从而计算出不同初始裂纹长度、不同车速下铁路钢桥节点区域横梁腐蚀疲劳裂纹扩展剩余寿命，并进行对比分析。　　综上所述，本文将基于子模型法的结构多尺度有限元分析方法与基于断裂力学理论的腐蚀疲劳裂纹扩展剩余寿命评估方法相结合，解决了复杂工程结构的腐蚀疲劳寿命评估问题，具有一定的应用价值。同时，本文也建立了针对大型铁路钢结构桥梁的腐蚀疲劳裂纹扩展剩余寿命的系统评估方法，从而可以确定列车行走荷载作用下带腐蚀裂纹工作的铁路钢结构桥梁构件的使用寿命，保证钢桥在服役期间的安全使用，这对于铁路钢结构桥梁有效的运营维护以及国民安全的铁路出行都有着非同寻常的意义。
作者：	卢家星
专业：	土木工程
导师：	刘嘉
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文