基于断裂力学理论的钢桥疲劳可靠性评估（英文）

为了研究钢结构桥梁的疲劳可靠性,使得钢桥在可接受的风险水平下工作。基于断裂力学理论和可靠性分析方法,建立了适用于钢桥的断裂疲劳可靠性模型,同时对模型中的初始裂纹长度a0、临界裂纹长度ac以及疲劳裂纹扩展参数C和m等相关参数进行了分析,并通过可靠性分析方法确定钢桥构件的疲劳可靠度。将该模型应用于一座实际桥梁,通过可靠性理论中的JC法获得了该桥主要构件横梁和下弦杆的疲劳可靠度随累积应力循环次数的变化规律,为该桥在一定的目标可靠指标下进行服役提供了理论依据。     

大跨钢桥钢箱梁损伤时变模型及疲劳可靠性评估

以润扬长江公路大桥北汊斜拉桥为研究对象,建立了包含桥梁整体结构、索梁锚固区构件及含表面裂纹焊接细节的多尺度模型,采用子模型法获得了索梁锚固区域中应力集中区和裂纹尖端应力场分布,分析了疲劳裂纹长度对应力强度因子的影响,研究了不同长度的初始裂纹的疲劳寿命和考虑检测信息的疲劳可靠度的更新情况.研究结果表明,采用损伤时变特性尤其是易发生的裂纹信息进行多尺度模型更新,可实现桥梁索梁锚固区域中复杂受力区的局部应力分布和疲劳状态可靠度的更新分析,为含裂纹桥梁结构的疲劳状态评定提供了一种精确分析方法,一定程度上可弥补桥梁健康监测系统无法反映复杂构型局部焊缝区域应力分布规律的不足.     

既有铁路钢桥的系统疲劳可靠度评估

既有铁路钢桥承受着日益繁重的交通荷载,其使用安全倍受关注。针对铆接结构多破坏模式和铆接多成份、多构件的疲劳失效特点,在建立铆接构件双角钢概率疲劳破坏模型的基础上,提出铆接钢桥系统疲劳可靠性分析模型。基于M on te C arlo算法,建立计算系统疲劳失效概率的基本流程,编制用于铆接钢桥系统疲劳可靠性分析的大型程序RBSPFF。将铆接钢桥系统疲劳可靠性分析模型应用于京九线赣江桥的疲劳可靠度评估。由赣江桥概率剩余寿命评估结果可知,若按保证桥梁的正常使用功能,上、下游铁路桥面系的超声波探测间隔分别为1.7 a和0.6 a;若按保证主桁结构系统承载安全,则探测间隔为3.7 a。     

模糊可靠性疲劳寿命的分析与计算

针对随机栽荷下构件疲劳寿命预估中的可靠性问题，在模糊累积损伤疲劳寿命计算模型的基础上，根据恒幅疲劳寿命的分布及试验参数，依可靠性理论，导出了恒幅载荷下构件的可靠度工作寿命的数学方程，从而建立了承受随机载荷的构件的模糊可靠度疲劳寿命计算模型，同时还导出了传统累积损伤计算方法下可靠度疲劳寿命计算模型。采用这两种模型，通过实测载荷谱，对构件的可靠度疲劳寿命进行了预估，并与实际安全寿命进行比较。结果表明，所建立的模糊可靠度疲劳寿命计算模型预估的安全寿命与实际安全寿命相当吻合，相对误差仅为2．12％，传统可靠度疲劳寿命计算模型的预估误差为99．27％。     

铁路钢桥节点既有腐蚀疲劳裂纹扩展寿命

为评估服役中铁路钢桥由于环境腐蚀作用产生初始裂纹后的剩余疲劳寿命,对列车行走荷载作用下铁路钢桥节点横梁处在环境腐蚀形成初始裂纹后的疲劳裂纹扩展寿命进行研究。以铜九(铜陵—九江)线鄱阳湖铁路钢桥为背景,基于子模型法的多尺度建模方法,运用通用有限元软件建立铁路钢桥整体壳体模型和节点横梁处含初始裂纹的精细网格划分的实体模型,获得了在列车行走荷载作用下铁路钢桥节点横梁处的精确动应力响应;基于断裂力学的四参数Forman公式对铁路钢桥在4种不同初始裂纹长度下的腐蚀疲劳裂纹扩展寿命进行了评估与对比,并对有无环境腐蚀作用下的疲劳裂纹扩展寿命进行了对比分析。结果表明:基于子模型法的壳-实体多尺度建模方法既可以满足大型复杂结构在数值计算过程中的计算效率,又能够满足评估疲劳寿命计算所需的精确动力响应要求,可以精确评估铁路钢桥腐蚀疲劳裂纹扩展寿命;铁路钢桥既有腐蚀疲劳裂纹扩展寿命主要产生在小裂纹扩展阶段,计算得到0.5mm初始裂纹扩展到10mm时需要循环484 509次,占总扩展寿命的50.2%;铁路钢桥疲劳裂纹扩展寿命受环境腐蚀的影响非常大,其比无腐蚀疲劳裂纹扩展寿命降低79%左右。研究结果可为预测疲劳裂纹发展趋势、评估铁路钢桥剩余寿命和评定结构的安全性与运营能力提供参考。     

铆接钢桥剩余寿命与使用安全评估方法

基于疲劳累积损伤和断裂力学理论，建立了能表征铆接钢桥疲劳破坏行为的确定性评估方法．进而基于铆接钢桥的疲劳随机损伤演化机理，针对铆接结构多破坏模式和铆接多成分、多构件的疲劳失效特点，建立了能反映铆接钢桥脆断和韧断疲劳破坏机制的构件概率疲劳模型和系统疲劳可靠性分析模型．基于Monte-Carlo算法，进行铆接钢桥构件和结构系统疲劳断裂失效概率的计算，并编制了用于铆接钢桥系统疲劳可靠性分析的大型程序系统．     

基于全寿命裂纹扩展模型的钛合金球壳疲劳可靠性分析

针对钛合金材料短裂纹扩展寿命较长的特点,基于Brown-Hobson模型的疲劳全寿命计算模型,给出了钛合金球壳疲劳寿命估算的解决方案.根据不含交叉项的二次响应面法对全寿命模型进行可靠性分析,得出不同参数对其可靠度指标的影响,并将此方法应用于我国正在研制中的4.5 km级载人深潜器的疲劳分析中.根据载荷-循环次数历程对其进行确定性裂纹扩展分析,在此基础上分析了不同参数对结构可靠性的影响.     

混凝土连续梁桥使用期的时变体系可靠度计算

混凝土连续梁桥在使用期间的体系可靠度反映了其整体可靠性水平.由于桥梁在使用期间的抗力是随时间变化的,因此其体系可靠度也具有时变性.介绍并修正了桥梁抗力参数的时变模型和荷载模型,提出了混凝土连续梁桥时变体系可靠度计算方法,并结合一工程实例验证了该方法的可行性与有效性.     

飞机机轮轮毂结构疲劳可靠性分析

提出了结构疲劳可靠性计算模型．该模型以结构初始疲劳质量的描述为基础,考虑裂纹扩展的随机性,建立了以裂纹长度为判据的结构失效功能函数,并用ＪＣ法和一次二阶矩法计算飞机机轮轮毂在不同循环次数下的裂纹超过数概率．同时分析了疲劳裂纹扩展的分散性对结构疲劳可靠度的影响．最后,用实物疲劳试验结果对上述方法给出的预测结果进行了验证,验证结果证明该方法是合理的．     

随机载荷下大型构件疲劳裂纹扩展寿命的预测

本文从影响疲劳裂纹扩展随机性的外因（载荷条件）和内因（材质的分布规律）着手,探讨它们的交互作用对随机载荷作用下构件疲劳裂纹扩展的影响,采用数值模拟的方法,对桥梁、船舶、飞机、特殊容器等大型构件所承受的实际载荷谱以及材料对裂纹扩展的阻力系数等进行模拟,并进而对疲劳裂纹的随机扩展过程进行模拟,提出随机载荷作用下大型构件疲劳裂纹扩展寿命的预测及其可靠性分析方法．     

既有铆接铁路钢桥剩余寿命的评估

为确保既有铆接铁路钢桥使用安全，探讨了评估既有铆接铁路钢桥疲劳剩余寿命的方法。以京九线赣江桥为例，介绍了基于断裂力学的既有铆接铁路钢桥剩余寿命评估的原理与方法。基于断裂力学的评估过程主要包括如下4个步骤：识别临界构件、计算临界裂纹尺寸、疲劳裂纹扩展模拟、确定探测间隔。根据赣江桥剩余寿命评估结果：若按保证桥梁的正常使用功能，超声波探测间隔为1a；若按保证主桁结构承载安全，则探测间隔为3a。     

钢桥面顶板焊缝处共线双裂纹耦合扩展特性分析

为了研究钢桥面顶板与U肋焊缝处多疲劳裂纹间的耦合扩展效应,结合线弹性断裂力学理论与ABAQUS-FRANC3D交互技术,建立了钢桥面顶板-U肋焊缝处共线双疲劳裂纹的数值分析模型,对比分析了单裂纹和共线双裂纹的裂尖应力强度因子,揭示了裂纹间距、干扰裂纹尺寸对基础裂纹扩展特性的影响规律,并通过足尺节段试验对理论模拟进行了验证. 分析结果表明：共线裂纹相较于单裂纹的应力强化效应不可忽略,而相同尺寸双裂纹代表了多裂纹扩展的最不利情况,且当共线长裂纹的间距与裂纹长度比值s/c小于0.5时,裂纹交互影响因子及其扩展速率受耦合效应影响显著.     

钢桥焊接构件疲劳寿命预测

分析了影响焊接接头疲劳寿命的各种因素,在Dugdale模型基础上构造裂纹闭合模型,并将其应用到焊接接头的表面半椭圆形裂纹,其中考虑了影响区的材性变化、焊接残余应力以及焊缝几何带来的应力集中,通过与两个试验结果的比较表明：该法能估计裂纹扩展阶段的疲劳寿命,可用于焊接钢桥抗疲劳设计。     

福州市城市桥梁疲劳荷载研究

通过对福州市城市桥梁交通荷载和运营车辆的装载情况调查,得到由32类日常典型的运营车辆组成的荷载频值谱,以及货运车辆的空载率.根据等效疲劳损伤原理将所得到的荷载频值谱简化为由6辆疲劳荷载模型组成的具有实用性的荷载频值谱.进一步分析得到一辆适宜验算桥面系构件的标准疲劳车辆荷载模型.所得到的疲劳荷载频值谱和疲劳车辆荷载模型,可以供城市钢桥疲劳损伤验算参考.     

既有连续钢桁梁桥加固后工作状态模拟

结合在役桥梁特点，依据桥粱实例，分析建立了既有连续钢桁梁桥加固前、后平面和空间计算模型。通过模型计算结果与实测资料对比分析，以及空间与平面模型计算结果的比较，表明空间计算模型为合理的工作模型。空间计算模型采用空间梁单元模拟桁架桥杆件，可以考虑弯曲次内力和结构空间受力行为，能够比较真实地实现连续桥梁的工作状态模拟。该模型为桥梁加固后安全寿命评估奠定了基础。     

钢桥板疲劳裂纹修复进展及合金贴片法研究

为加深对正交异性钢桥面板疲劳开裂问题以及疲劳裂纹修复技术研究的认识，首先对钢桥面板的疲劳开裂特征进行阐述，通过文献调研梳理了钻孔止裂法、加补强板法、热修复法、机械修复法以及组合桥面铺装改进法的相关应用与研究，并探讨各种修复方法的修复机理及适用性。最后展望了智能材料形状记忆合金（shape memory alloy，SMA）在未来钢桥面板疲劳裂纹修复中的应用前景。研究结果表明：钢桥面板疲劳开裂修复受重载交通量大、焊缝数量众多及操作空间狭小等特殊现场环境制约，需根据不同裂纹特征开展针对性修复工作。提出的形状记忆合金修复法在钢桥面板疲劳裂纹修复工作具有前瞻性。其中SMA-CFRP组合贴片利用SMA丝材产生的预应力和CFRP提供的刚度相结合，进一步强化对裂纹开展的抑制效果，而粘贴铁基SMA板在具备以上优点的同时还兼具易施工和低成本的优势。因此采用SMA贴片法可为钢桥面板疲劳裂纹修复提供新思路，有望延长钢桥面板的使用寿命。     

老钢桥剩余安全度与剩余寿命估计

通过对老钢桥疲劳断裂安全度的分析，计算了老钢桥的剩余寿命和继续使用所需的检测间隔，为老钢桥在考虑经济性前提下的维修与加固提供了可靠性依据。     

碳绞线体外预应力在桥梁中的应用

为解决混凝土桥梁中钢筋锈蚀引发的问题,采用CFRP筋中的碳绞线作体外束施加预应力.探讨了碳绞线体外预应力混凝土桥梁的结构特点和构造措施,以及该类桥梁中挠度、延性及抗弯、抗剪的计算分析方法.据此在淮安市的何圩桥中研究设计了一跨碳绞线体外预应力混凝土简支梁,并利用有限元法等对其延性和抗弯承载力进行了分析.研究表明,该桥的筋束应力、裂缝宽度、挠度、延性及极限抗弯承载能力各项指标均能满足设计要求.碳绞线体外预应力桥梁发展前景看好.     

基于断裂力学的锚拉板疲劳寿命评估

为研究斜拉桥锚拉板结构的疲劳性能,以一座叠合梁斜拉桥为例,采用最新钢桥规范的疲劳荷载模型加载并按雨流法处理计算了疲劳荷载谱,结合空间实体有限元模型,识别了锚拉板的典型构造细节并获得疲劳应力谱;在典型构造细节处引入初始表面裂纹,计算了裂纹尖端的应力强度因子,回归分析得到应力强度因子与裂纹尺寸的关系式,代入Paris公式积分得到了各典型构造细节的疲劳寿命,从而建立了基于断裂力学的锚拉板疲劳寿命分析方法.研究结果表明:基于断裂力学方法得到的锚拉板疲劳寿命超过了100年,满足设计及使用要求;裂纹初期扩展很慢,当尺寸达到10mm时,已消耗了60%~80%的疲劳寿命,应及时加以补强.