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桥梁构件局部热点应力分析及其疲劳损伤累积过程模拟

周太全

  本文的研究工作是围绕着大跨度桥梁在交通荷载作用下,关键焊接构件的局部热点应力分析和相应的疲劳损伤累积分析而展开的,目的为了对这些焊接构件内的疲劳损伤累积的过程进行比较准确的评估。首先,在青马大桥三维有限元模型和整体动力响应分析计算的基础上进一步进行关键疲劳构件的局部热点应力分析,对疲劳危险部位处的焊接构件建立三维有限元模型,施加符合桥梁实际工况的载荷与位移边界条件,进行局部热点应力分析,确定这些焊接构件内的名义应力和相邻焊接区域内热点应力之间的关系,得到相应的应力集中系数。这些初步成果为利用安装在桥梁结构健康监测系统上输出的应变-时程数据,对这类焊接构件进行热点应力推算和准确合理的疲劳损伤评估提供了理论和计算基础。其次,针对大跨结构多尺度损伤模拟的需要研究建立相应的过渡单元,以便于实现局部热点分析单元与结构单元之间的过渡。在综合已有的构造过渡单元模型关于位移插值形式的基础上,通过采用分段线性位移插值模式和线性位移插值方式,并在位移模式中引入非协调位移模式,强迫构造单元通过分片试验,构造了一种用于疏密网格单元连接过渡单元。进行了相应的数值分析,应力计算结果表明:构造的过渡单元能够实现疏密网格之间的单元过渡,应力计算性能良好,表明文中所提出的过渡单元的连接过渡方案是可行的,初步实现了结构跨尺度损伤模拟过程中所需要的疏密网格单元之间的过渡。为了验证文中构造的过渡单元模型用于分析焊接节点附近的应力集中问题的正确性和有效性,进一步又对过渡单元模型进行实验结果验证,采用平面过渡单元模型计算了本课题组进行的两类焊接构件的应力集中系数,并与根据实测方法得到的应力集中系数进行了比较,计算结果与实验测试得到的应力集中系数和相应的热点应力变化趋势比较吻合,为本文建立的过渡单元的实际应用提供了初步的基础。第三,将基于损伤力学的疲劳损伤有限元分析的全耦合过程,嵌入到商用有限元软件包ABAQUS的用户接口里。采用全耦合疲劳损伤分析方法,对青马大桥关键焊接构件进行疲劳损伤累积分析,结果表明:疲劳损伤的累积过程具有局部性;疲劳损伤场与应力场之间存在着相互作用;广泛采用的线性米勒准则用于疲劳寿命评估是偏于安全的。这种偏于安全的误差,用于结构的疲劳设计是合适的,但对于在役结构疲劳损伤累积的准确评估却是不利的。该方法为桥梁结构基于有限元热点应力分析和损伤力学理论进行局部疲劳损伤累积的准确评估提供了可行的方法和理论基础。最后,考虑到实际焊接构件往往会存在初始缺陷,进一步研究了含初始缺陷的桥梁焊接构件的疲劳分析方法。在分析已有的大量含裂纹构件的实验基础上,以及结合本课题组所做实验,假设初始裂纹焊接构件在疲劳裂纹扩展过程中裂纹形状保持为半椭圆形。考虑了桥梁构件实际受力特征,以及裂纹前缘的损伤区的存在及其对裂纹扩展的影响,推导了适用于钢桥梁构件的疲劳裂纹扩展分析的疲劳裂纹扩展率公式。并对不同类型具有初始裂纹焊接构件中的应力强度因子进行修正。采用文中的方法,分析计算了已有的两个疲劳试样的裂纹扩展过程和疲劳寿命。计算结果表明:文中的方法用于含初始裂纹构件的疲劳寿命计算具有一定的准确性。……