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原文传递强震下桥梁钢材与钢桥墩超低周疲劳断裂预测

论文题名：	强震下桥梁钢材与钢桥墩超低周疲劳断裂预测
关键词：	钢结构桥梁;钢桥墩;超低周疲劳;断裂预测;抗震性能
摘要：	钢结构桥梁具有优良的力学性能和易于工业化发展的特点，随着我国钢材产能提高和劳动力成本的上升，近年来钢桥在我国交通工程建设中得到迅速发展。我国是一个地震多灾害国家，地震严重威胁着钢桥的结构安全，但我国的钢桥抗震设计理论研究仍相对缺乏。本文将钢桥的重要承重构件同时也是地震易损构件的钢桥墩作为研究对象，以建立钢桥墩的超低周疲劳断裂预测方法为主要研究目标，通过试验、理论分析和数值模拟等手段开展研究，本文的主要工作和研究成果如下：　　(1)开展了桥梁钢材Q345qC光滑圆棒试样和缺口试样的大应变荷载试验，分析了钢材的应变强化效应和循环峰值响应，研究了不同应力三轴度下的钢材延性断裂和超低周疲劳断裂机理。结果表明，在循环大应变恒幅加载下，Q345qC钢材初始发生显著的应变强化，然后峰值应力很快达到稳定状态；Ramberg-Osgood模型可以准确地模拟Q345qC钢材在循环大应变加载下的骨架曲线，其可以为钢结构的滞回响应分析提供依据。钢材超低周疲劳断裂为延性开裂，韧窝尺寸和深度与应力三轴度大小相关。　　(2)基于第二章中缺口试样的试验结果，检验了传统Coffin-Manson公式在多轴应力状态下预测钢材超低周疲劳寿命的适用性。通过建立参数与应力三轴度的定量关系，提出了考虑应力三轴度效应的修正Coffin-Manson公式。结果显示，在高应力三轴度情况下，传统Coffin-Manson公式极大地高估了钢材的超低周疲劳寿命；在中等应力三轴度下，传统Coffin-Manson公式可以较准确地预测钢材在多轴应力状态下的超低周疲劳寿命。考虑应力三轴度效应的修正Coffin-Manson公式可以准确地预测不同应力三轴度下的钢材超低周疲劳寿命。因此，考虑应力三轴度对钢材超低周疲劳断裂的影响可以显著地提高Coffin-Manson公式的预测精度，特别是高应力三轴度情况。　　(3)在循环空穴扩张模型(Cyclicvoidgrowthmodel,简称CVGM)和退化有效塑性应变模型(Degradationsignificantplasticstrain，简称DSPS)的基础上，提出了考虑损伤退化参数对应力三轴度依赖的改进微观损伤机制模型，即ICVGM和IDSPS。研究结果表明，模型参数η和α的值不依赖于应力三轴度的大小；当校准参数α时，用平均应力三轴度代替瞬时应力三轴度可以减小校准值的离散系数。Q345qC钢材的损伤退化参数λCVGM和λDSPS的值表现出与应力三轴度的非单调关系，随着应力三轴度的增大，λCVGM和λDSPS均表现出先减小后增大；当应力三轴度很大时，λCVGM和λDSPS均趋于一个恒定的值。相比原始CVGM和DSPS模型，ICVGM和IDSPS模型的预测精度分别提高了50%和35%左右。因此，考虑损伤退化参数对应力三轴度的依赖性可以提高原始CVGM和DSPS模型的预测精度，特别是CVGM模型。　　(4)基于超低周疲劳损伤是由延性损伤和循环损伤组成的概念，结合材料受拉空穴扩张和受压空穴收缩的微观机制，提出了一种新的单参数微观损伤指标(Micromechanicaldamageindex，简称MDI)。然后，基于缺口圆棒试样的试验结果验证了微观损伤指标的有效性。研究结果表明，微观损伤指标可以准确地评估钢材在不同应力三轴度下的超低周疲劳损伤。与修正的Coffin-Manson公式、ICVGM和IDSPS模型的参数校准相比，微观损伤指标MDI的参数校准只需圆棒试样的拉伸试验结果，参数校准过程十分方便，这可以一定程度地促进微观损伤指标的应用。　　(5)开展了厚壁方形截面钢桥墩在水平两方向加载下的拟静力试验。然后，通过扫描电镜分析了钢桥墩的超低周疲劳断裂机理。基于有限元子模型技术建立了钢桥墩的分析模型，基于修正的Coffin-Manson公式、ICVGM和IDSPS模型以及微观损伤指标MDI预测了钢桥墩的超低周疲劳断裂萌生寿命。研究结果表明，超低周疲劳断裂是钢桥墩在水平两方向地震作用下的一种失效模式，其由墩底角部位置的裂纹萌生引起。钢桥墩裂纹萌生区域的微观形貌为典型的延性韧窝，这说明是延性开裂；超低周疲劳裂纹扩展是延性和准解理断裂的混合模式，这与传统的低周疲劳裂纹扩展不同；在裂纹扩展后期，准解理断裂主导着扩展过程，从而导致钢桥墩因承载力骤降而失效。修正的Coffin-Manson公式、ICVGM和IDSPS模型以及微观损伤指标MDI均可以准确地预测钢桥墩的超低周疲劳断裂萌生寿命，平均误差仅有7.14%。在超低周疲劳断裂过程中，钢桥墩没有发生局部屈曲。因此，在抗震设计中需要验算钢桥墩的超低周疲劳性能，特别是厚壁构件。
作者：	李帅领
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	谢旭;张鹤
授予学位：	博士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2021