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原文传递铁路钢桁桥焊接整体节点疲劳的若干重要问题研究

论文题名：	铁路钢桁桥焊接整体节点疲劳的若干重要问题研究
关键词：	铁路钢桁桥;焊接整体节点;疲劳强度;焊接残余应力;疲劳损伤
摘要：	疲劳失效是工程结构在承受反复荷载作用下的主要失效模式之一。对于承受列车荷载的铁路钢桁桥，其承受的动荷载虽低于结构的承载力，但由于结构存在焊接残余应力、焊接缺陷和应力集中，易产生塑性变形，从而萌生裂纹并最终发生疲劳破坏。整体节点是近年来在大跨度钢桁桥中采用的一种新型结构型式，属于厚板焊接，不仅焊缝密集，而且焊缝类型多样。在车辆移动荷载作用下，这种复杂焊接结构的疲劳性能有待于进一步研究。本文结合铜九线鄱阳湖特大桥的工程实例，重点研究了钢桥整体节点疲劳强度评估的若干重要问题。　　论文首先对DANG VAN多轴疲劳极限准则进行了介绍，在此基础上引入了由法国焊接研究所于90年代初率先提出并正在发展的用于焊接接头疲劳强度评定的局部法概念。基于传统的考虑残余应力的局部法，提出了一种改进的局部法来计算焊接构件的疲劳损伤，该方法考虑的焊接残余应力的重分布，更加符合实际情况。　　局部法分析焊接残余应力对疲劳强度的影响时，是把焊接残余应力当成外载来考虑，即把焊接残余应力以静水压力的形式引入局部法判别式中。因此要采用局部法对整体节点进行疲劳评估，首先应该获得焊接整体节点的残余应力分布情况。钢桥整体节点的焊接过程非常复杂，数值模拟整体节点焊接残余应力场的分布情况是评估焊接构件疲劳状况的重要前提。基于ANSYS平台，对整体节点多道焊的温度场和应力场的分布进行了动态模拟，获得了不同时刻的温度场分布和最终的焊接残余应力场。计算结果与相关实测结果对比，二者具有相似的规律。　　残余应力在外荷载作用下会发生安定现象。这是由于在外荷载和残余应力的共同作用下，一部分与残余应力相关的弹性应变转变为塑性应变，残余应力发生应力释放。采用弹塑性有限元方法研究了对接焊缝焊接残余应力在外荷载作用下的应力释放，并与试验结果进行了对比，验证了数值模拟焊接残余应力安定的可行性。随后采用上述方法模拟了整体节点残余应力场在列车荷载作用下的安定，获得了安定后的残余应力场。　　以新建铁路铜九线鄱阳湖特大桥钢桁桥段为背景，研究了包含局部细节特性的焊接整体节点在移动列车荷载作用下的动力响应。在对整体有限元模型进行分析的基础上，应用壳到体子模型法对该桥焊接整体节点进行了瞬态有限元分析，获得了局部细节处的应力时程。对结果的分析表明，箱形下弦杆与节点板连接处、整体节点板几何形状突变处和右斜腹杆与节点板连接处，在满载列车作用下，最大应力幅均超过相关疲劳试验给出的疲劳容许应力幅，可能在服役期间发生疲劳破坏。　　最后，采用子模型法获得的整体节点关键细节的应力时程和重分布后的残余应力场，结合 Miner准则和相关 S-N曲线，运用改进的局部法，计算了整体节点关键部位在列车荷载下的疲劳损伤状况。　　本文提出的系列方法，不仅可以用于桥梁焊接节点的疲劳评估，对于所有包含焊接细节的大型结构的疲劳损伤计算都具有很好的适用性。
作者：	何杰
专业：	结构工程
导师：	瞿伟廉
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文