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1、基于斷裂力學(xué)的鋼橋疲勞裂紋擴(kuò)展與壽命評(píng)估方法研究(申請(qǐng)清華大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文)培養(yǎng)單位：土木工程系學(xué)科：土木工程研究生：宗亮指導(dǎo)教師：王元清教授二○一五年六月InvestigationonfatiguecrackpropagationandlifepredictionofsteelbridgesbasedonFractureMechanicsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophy
2、inCivilEngineeringbyZongLiangDissertationSupervisor:ProfessorWangYuanqingJune,2015摘要摘要目前，各國(guó)規(guī)范普遍采用基于S-N曲線的名義應(yīng)力法對(duì)鋼橋細(xì)節(jié)進(jìn)行疲勞評(píng)估，而這種方法往往依賴于構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞類別和荷載歷史。當(dāng)面對(duì)新型連接和節(jié)點(diǎn)或采用新型鋼材的構(gòu)造時(shí)，通常需要開展疲勞試驗(yàn)，但試驗(yàn)費(fèi)用昂貴且結(jié)果往往缺乏普遍適用性。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文基于斷裂力學(xué)理論，開展了對(duì)鋼橋疲勞問題的研究，主要的研究工作和成果如下：（1）在三種應(yīng)力比條件下，完成了三種厚度、共計(jì)54個(gè)Q345qD鋼緊湊拉伸
3、試樣及10.0mm厚、共計(jì)18個(gè)WNQ570鋼緊湊拉伸試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)。分別采用成組數(shù)據(jù)法和單試件數(shù)據(jù)法，提出了Q345qD和WNQ570母材及焊縫的基于Paris公式的疲勞裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，給出了開展疲勞評(píng)估時(shí)參數(shù)的選用建議，為相關(guān)工程的疲勞評(píng)估提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。（2）選取三種典型的焊接構(gòu)造細(xì)節(jié)——不等厚對(duì)接焊縫、十字形傳力角焊縫和十字形非傳力角焊縫，完成了共計(jì)78個(gè)試件的疲勞試驗(yàn)，細(xì)致測(cè)量了試件的幾何外觀、初始裂紋位置和應(yīng)變數(shù)據(jù)，并驗(yàn)證了現(xiàn)行規(guī)范中疲勞設(shè)計(jì)曲線的適用性。（3）實(shí)現(xiàn)了基于FRANC3D和ABAQUS交互平臺(tái)的復(fù)合型疲勞裂
4、紋擴(kuò)展分析方法。利用已完成的焊接構(gòu)造疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，充分驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性和可靠性。在此基礎(chǔ)上評(píng)估了三種焊接構(gòu)造解析解的合理性，開展了焊接構(gòu)造疲勞壽命的影響因素分析，并推薦了三種典型焊接構(gòu)造的初始裂紋設(shè)置方式。（4）將復(fù)合型疲勞裂紋擴(kuò)展分析方法推廣至多尺度有限元模型，利用既有疲勞試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了本方法在多尺度模型中的準(zhǔn)確性和可靠性，并將本方法應(yīng)用在一座典型鐵路鋼桁梁橋的疲勞評(píng)估之中。通過名義應(yīng)力方法完成了該橋的疲勞構(gòu)造細(xì)節(jié)危險(xiǎn)程度排序，識(shí)別出其中最危險(xiǎn)的兩種構(gòu)造細(xì)節(jié)，分別建立了每種危險(xiǎn)細(xì)節(jié)含裂紋體的多尺度模型和單純局部模型，預(yù)測(cè)了兩種危險(xiǎn)細(xì)節(jié)的剩余疲勞壽命。
5、據(jù)此討論了在開展宏觀結(jié)構(gòu)層面的疲勞裂紋擴(kuò)展分析時(shí)采用多尺度模型的必要性，并考察了列車軸重增加對(duì)鋼橋疲勞壽命的顯著影響。本文形成了一種基于斷裂力學(xué)手段、具有普遍適用性、經(jīng)過可靠驗(yàn)證的疲勞評(píng)估方法，并將其推廣應(yīng)用至工程實(shí)際，可以有效地克服鋼橋傳統(tǒng)疲勞評(píng)估方法的不足，服務(wù)于我國(guó)鋼橋建設(shè)的發(fā)展。關(guān)鍵詞：鋼橋；斷裂力學(xué)；復(fù)合型裂紋擴(kuò)展；疲勞評(píng)估IAbstractAbstractFatigueassessmentonstructuraldetailsofsteelbridgesisusuallyimplementedthroughthenominalstressappr
6、oachaccordingtothecurrentdesigncodesofdifferentcountries.TheassessmentisbasedonspecificS-Ncurvesanddeterminedloadinghistoryforvariousstructuraldetails.Thisapproachcannotbeconductedfornewtypesofconnections,jointsorstructuraldetailsmadebynewtypesofsteels.Insuchsituation,fatiguetestsu
7、suallywillbeemployed,butthetestsareextremelytimeandmoneyconsumingwhiletheresultsgenerallycannotbeentendedtoothercases.Tocopewiththesituation,thispaperfocusesonsolvingfatigueproblemofsteelbridgesbyFractureMechanics.Themajorresearchworkandachievementsareasfollows.(1)Fatiguecrackgrowt
8、hratetestsunderthreediffer
