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原文传递钢材的复合疲劳试验及钢桥复合疲劳损伤评估方法研究

论文题名：	钢材的复合疲劳试验及钢桥复合疲劳损伤评估方法研究
关键词：	钢桥;地震作用;复合疲劳损伤;评估方法
摘要：	自从在北岭地震和阪神地震中发现钢结构的超低周疲劳破坏以来，国内外学者对钢材和钢结构节点的低周疲劳破坏机理进行了大量的研究，并提出了相应的低周疲劳损伤评估方法。然而，既有的低周疲劳损伤评估方法均针对无初始损伤的钢材及结构，钢结构桥梁及其主要受力构件在地震爆发前就已经因多年的服役而发生了一定的损伤和性能退化。目前，关于这种初始损伤对地震作用下低周疲劳损伤的不利影响尚不明析。为此，本文在国家自然科学基金项目(项目编号:51708485)的资助下，以Q345结构钢的两种疲劳试验作为切入点，分别提出了考虑初始损伤的钢材及钢桥墩高低周复合疲劳损伤评估公式;在此基础上，对强震作用下的在役钢桥墩和钢拱桥进行复合疲劳损伤分析与评估。　　首先，对Q345结构钢的低周疲劳和高低周复合疲劳进行了试验研究，从循环响应特征、循环滞回曲线、循环应力应变关系三个方面出发，对钢材的低周疲劳性能和高低周复合疲劳性能进行分析，并分别拟合出相应的寿命预测公式。结果表明:在低周疲劳加载的过程中，钢材的循环应力强度随着应变幅值的增大而减小，同时钢材的滞回耗能系数随着应变幅值的增加而增加，并体现出优越的滞回耗能特性。循环应力-应变关系与Ramberg-Osgood公式较为吻合，验证了Ramberg-Osgood公式的适用性。在高低周复合疲劳加载过程中，钢材的循环软化指标随着初始高周疲劳损伤程度的增加而减小，在初始高周疲劳损伤值达到0.7后其循环应力幅值显著变小。随着初始高周疲劳损伤的累积，钢材的滞回耗能系数基本不变。将Ramberg-Osgood公式预测的应力幅值曲线与试验结果对比，发现钢材应力幅平均值在初始高周疲劳损伤值达到0.7后出现显著的降低。从钢材的疲劳寿命角度看，纯低周疲劳寿命随着应变幅值的增加而减少，而经过初始高周疲劳损伤后的剩余低周疲劳寿命会随着初始损伤量的增加而降低。　　为研究反复荷载作用下在役钢桥墩的复合疲劳损伤特性，对不同结构参数的圆形截面和矩形截面钢桥墩进行数值分析，得到不同初始高周疲劳下钢桥墩的复合疲劳损伤程度，进一步分析了结构参数对损伤发展的影响，并提出了在役钢桥墩复合疲劳损伤评估经验公式。结果表明:无论是圆形截面还是矩形截面的钢桥墩，其复合疲劳损伤程度随着初始高周疲劳损伤量的增加而增大。相同的受力条件下，钢桥墩的复合疲劳损伤受径厚比、宽厚比、轴压比的影响较大。其中，当径厚比或宽厚比处于较小的水平时，对应的复合疲劳损伤随初始损伤程度的增加而急剧增大。　　为研究强烈地震作用下在役钢桥墩的复合疲劳损伤特性，对不同结构参数的圆形截面和矩形截面钢桥墩进行了弹塑性地震反应分析，得到其复合疲劳损伤指标，并进一步验证了在役钢桥墩复合疲劳损伤评估经验公式的适用性。结果表明:在强震作用下具有初始疲劳损伤的钢桥墩较无初始损伤的钢桥墩复合疲劳损伤指标值要大50％～70％，更易发生复合疲劳破坏;强震作用下的在役钢桥墩复合疲劳损伤指标值与经验公式预测值较为一致，其随结构参数的变化规律也与预测曲线相一致，进一步验证了该公式的有效性。　　最后，以一座上承式无铰钢结构拱桥为对象，采用板壳单元模型对结构进行了地震作用下的非线性时程反应分析，得到了在役钢拱桥节点的复合疲劳损伤指标值，对其复合疲劳损伤规律进行分析。结果表明:在强震作用下，在役钢拱桥节点的复合疲劳损伤值随着前期高周疲劳损伤的增加而增大;在新泻地震作用下，复合疲劳损伤指标变化规律为先快后慢，而在集集地震作用下，该指标的变化规律为先慢后快，表明地震动对结构复合疲劳损伤的发展规律具有较大的影响。
作者：	何志祥
专业：	建筑与土木工程
导师：	唐站站;陈斌
授予学位：	硕士
授予学位单位：	扬州大学
学位年度：	2022