考虑长期监测应力时序的钢箱梁桥疲劳评估方法研究结题摘要

疲劳破坏是影响钢箱梁桥安全的关键因素之一，已有的钢箱梁桥疲劳性能评估方法忽略了长期监测应力次序，造成疲劳评估结果常常偏离实际情况。本项目对“考虑长期监测应力时序的钢箱梁桥疲劳评估方法”的关键科学问题开展了深入研究，主要成果包括： 针对疲劳荷载效应（包括疲劳应力幅和循环次数）的多峰分布特性，建立了由多种统计模型加权和组成的多峰混合分布模型和模型参数估计方法，突破了单峰分布模型难以准确描述疲劳荷载效应统计特征的缺陷；提出了复杂概率模式下随机样本模拟的数值逆变换抽样方法，解决了大跨桥梁全寿命期疲劳性能评估数据不足的难题。 基于规范给出的S-N曲线，从理论上推导了覆盖低周疲劳寿命区、有限疲劳寿命区和高周疲劳寿命区的全空间S-N曲线模型，将S-N曲线由有限疲劳寿命区扩展至全空间；进一步引入超高周疲劳损伤累积因子和超低周疲劳强度调整因子，提出了钢箱梁桥疲劳评估的全空间S-N曲线模型，并从几何学角度明确了模型参数的意义。 建立了考虑长期监测应力时序的钢箱梁桥疲劳损伤累积计算模型和疲劳可靠度评估极限状态方程。采用损伤应力作为疲劳损伤指标，结合钢箱梁桥疲劳评估全空间S-N曲线模型，在上一次损伤应力的基础上计算本次应力循环引起的损伤应力增量。此方法能够有效考虑应力出现次序对疲劳损伤的影响。 集成了疲劳荷载效应多峰混合分布模型、随机样本数值逆变换抽样方法和考虑长期监测应力时序的钢箱梁桥疲劳损伤计算模型和疲劳可靠度分析方法，对润扬大桥斜拉桥钢箱梁正交异性桥面板在不同工况下的疲劳可靠度进行了计算，探讨了钢箱梁桥疲劳可靠度的退化规律。 研究结果可为钢箱梁桥的疲劳性能评估提供新的途径，为钢箱梁桥的维护和管理提供技术支持。 2100433B

针对忽略长期监测应力时序可能造成钢箱梁桥疲劳评估结果偏离实际情况的不足，本项目对考虑长期监测应力时序的钢箱梁桥疲劳评估方法的关键科学问题开展系统性研究，主要包括：（1）基于长期监测应力数据揭示疲劳荷载效应的时变规律并建立疲劳荷载效应的时变函数，给出疲劳荷载效应的统计模型，进而提出面向可靠度评估的时变疲劳荷载效应随机模拟方法；（2）形成钢箱梁桥疲劳评估的全空间S-N曲线，建立考虑长期监测应力时序的非线性疲劳损伤累积模式，在此基础上提出非线性疲劳累积损伤计算的高效时序损伤模型；（3）建立基于高效时序损伤模型的钢箱梁桥疲劳可靠度评估极限状态方程，确定极限状态方程参数的概率表述，从而形成考虑长期监测应力时序的钢箱梁桥疲劳可靠度评估方法；（4）集成考虑长期监测应力时序的钢箱梁桥疲劳评估软件，开展考虑长期监测应力时序的疲劳评估方法典型工程应用。研究结果可为钢箱梁桥的疲劳性能评估提供新的途径。

厚钢板在海洋平台、船舶、桥梁等大型钢结构物中的使用日益广泛。但由于可焊性和焊接工艺的限制，厚板焊接结构中易产生焊接残余应力甚至焊接缺陷，其关键部位的疲劳问题也逐渐受到关注。而现阶段专门针对厚板焊接结构提出的疲劳强度评估方法还比较少见。.本项目将考虑厚板焊接接头特有的Z向性能、应力集中、裂纹敏感性等因素，采用基于疲劳裂纹扩展的断裂力学方法，对厚板焊接结构进行疲劳强度评估。项目拟定对厚板焊接接头进行CTOD试验，并以表征材料断裂韧度的指标CTOD值作为断裂判据，将板厚效应引入到疲劳强度评估方法中。同时，本项目还将对厚板焊接接头CTOD试验及接头处疲劳裂纹扩展过程进行可视化数值仿真，实现CTOD试验与厚板焊接结构的疲劳强度评估之间的对接。

焊接接头处的焊接残余拉伸应力是降低接头疲劳强度的重要原因，本研究依据奥氏体转变为马氏体时体积膨胀受到周围弹塑性或弹性金属限制而产生相变应力的原理研究抵消拉伸残余应力提高焊接接头疲劳性能的焊接措施。同时在进行一系列不同材料和焊接接头的疲劳试验后，从理论到实践研究该措施的效果及影响因素。因不需增加焊后加工工序，具有应用前景。 2100433B

疲劳破坏是在循环应力或循环应变作用下发生的。为了便于研究和分析疲劳问题，国际上对循环应力表示法已作出统一规定。循环应力的每一个周期变化称作一个应力循环。

图4所示的恒幅循环应力由以下诸分量表示：①最大应力

恒幅循环应变的表示法与此类似。

应力循环可以看成两部分应力的组合，一部分是数值等于平均应力的静应力，另一部分是在平均应力上变化的动应力。在四个应力分量中、、、只有两个是独立的。任意给定两个，其余两个就能确定。

用来确定应力循环的一对应力分量、或、称为应力水平。对恒幅循环应力，当给定R或时，应力水平可由或表示。产生疲劳破坏所需的循环数取决于应力水平的高低，破坏循环数越大，表示施加的应力水平越低。