钢桥疲劳寿命预测新方法研究

Every county in the world has been developing the research on fatigue life of steel bridges, correlative theory and experimental phenomena, since various fatigue failures in steel bridges brought disastrous damage to human. However, all of the previous studies failed to reflect the inherent law of fatigue crack propagation and can't meet the need of reality. From the standpoint of the basic mechanics, research group of this application has established the fatigue crack propagation equation(FCPE) under constant amplitude of alternating load. In view of steel bridges are subjected to random load spectrum, a universal FCPE for steel bridges would have been established, which contains architecture's macroscopic size and change, as well as possesses multiple undetermined constants with specific physics significance. FCPE under random load will be transformed into equivalent FCPE under constant amplitude load after connecting to constant amplitude load spectrum through decomposing random load spectrum in this application project, thus proposed a simple and practical method for forecasting fatigue life of steel bridges. In this novel method, we can calculate the curves of steel bridge's fatigue crack length changing with time in the residual life of the steel bridge, just the corresponding curves in start time that are gained by site measurement will need to be provided. This novel method can efficiently evaluates the residual lifetime of steel bridges and will be very valuable in the project application.

鉴于钢桥疲劳破坏给人们的生命财产带来了巨大的损失和危害，世界各国都举倾国之力对钢桥的疲劳寿命问题及相关的理论基础展开了持久的研究。但以往的研究未能反映疲劳裂纹扩展的内在规律，远不能满足现实的需要。本申请课题组已从基本的力学观点出发，建立等幅交变载荷作用下的疲劳裂纹扩展方程。但由于钢桥承受的是随机载荷谱，本申请项目就从随机载荷谱分解入手，通过建立随机谱块载荷与等幅载荷的联系，把随机谱块载荷作用下的疲劳裂纹扩展方程转化为等效的等幅载荷下的疲劳裂纹扩展方程，建立一个包含结构宏观尺寸及变化的具有多个待定常数的普适的钢桥疲劳裂纹扩展方程，而这些待定常数均有其明确的物理意义。从而提出一个简单实用的钢桥疲劳寿命预测新方法。仅仅通过现场测量得到起始时间段的裂纹长度随时间变化的曲线，就能计算出钢桥其后裂纹长度随时间变化的曲线，从而能够有效地解决实际钢桥的疲劳剩余寿命问题，具有极为重要的理论意义和应用价值。

在考虑惯性效应的I型裂纹两参数疲劳裂纹扩展方程的理论基础上，将钢桥受随机载荷谱块作用下的疲劳裂纹扩展问题通过傅里叶变换、积分中值定理等转化为一个等效的“三参数”等幅载荷作用下的疲劳裂纹扩展方程，从而提出了一个简单实用的钢桥疲劳寿命预测新方法，利用该方法有效地解决了实际钢桥的疲劳剩余寿命问题，具有极为重要的工程应用价值。本项目的研究工作主要有以下几个方面：. 1、作为本项目的理论基础，深入研究了考虑惯性效应的疲劳裂纹扩展力学模型及裂纹扩展机理等新概念，对I型裂纹两参数疲劳裂纹扩展方程和速率方程表达式进行了详细的推导和论证，以及对影响疲劳裂纹扩展速率各种因素进行了分析。. 2、对于随机载荷作用下疲劳寿命的计算，本项目从随机载荷谱分解入手，将随机载荷谱块作用下的疲劳裂纹扩展问题转化为一个等效的“三参数”等幅载荷作用下的疲劳裂纹扩展问题，从而提出了随机载荷下“三参数”疲劳裂纹扩展方程。并且通过国内外CCT试件试验数据验证了“三参数”疲劳裂纹扩展方程的有效性。. 3、把本项目提出的随机载荷作用下疲劳裂纹扩展预测新方法与《随机载荷谱裂纹扩展寿命模型》其它各种寿命模型理论进行了对比分析，结果表明研究中提出的方法无论是计算的简便性还是与试验结果的吻合程度都优越于其它各种模型理论。. 4、首次提出了一个简单实用的钢桥疲劳寿命预测新方法，重点分析了随机载荷作用下的疲劳裂纹扩展方程“三参数”的物理意义。详细叙述了应用该方法对钢桥进行寿命评估的三个基本前提条件和计算步骤。归纳了一些常见桥梁结构的应力强度因子及相应的裂纹扩展方程。. 5、本课题设计钢箱梁结构试验模型验证本申请项目提出的钢桥疲劳寿命预测新方法。通过监测钢结构的裂纹长度随时间的变化关系，准确地计算出其后裂纹长度随时间变化的曲线，从而预测其剩余疲劳寿命，并与最终试验结果进行比对，结果发现本课题提出的钢桥疲劳寿命预测新方法与最终试验结果吻合程度较高，证明本项目提出的钢桥疲劳寿命预测新方法是可靠的。