钢桁节点板疲劳裂纹扩展及寿命评估

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钢桁架桥梁因拼装方便、钢材用量省、跨越和承载能力强、通透性和耐用性好被广泛应用于铁路桥梁中。节点板作为钢桁架桥梁中连接各杆件的重要连接部件,由于焊接和施工技术导致的初始缺陷,在疲劳载荷作用下很容易产生疲劳问题,节点板的疲劳破坏已成为钢桁架桥梁疲劳破坏的主要原因之一。因此研究钢桁节点板的疲劳破坏机理以及对节点细节处疲劳裂纹扩展寿命进行评估对以后钢桥的正常运营以及对钢桥疲劳事故的预防都有一定的实践意义。本文以某三跨连续钢桁拱桥为研究工程背景,利用ABAQUS软件建立了研究节点的局部模型,对在列车载荷作用下的含裂纹的整体节点板进行了裂纹扩展仿真,并对裂纹的扩展寿命进行了评估,主要研究内容如下:(1)详细介绍了疲劳分析所涉及的基础理论,阐述了应力谱计数方法和基于线弹性断裂力学的疲劳分析理论,重点总结了三种疲劳裂纹扩展模型及疲劳裂纹寿命评估方法;(2)基于Midas/Civil有限元分析软件建立了上述工程背景中的钢桁拱桥的全桥有限元空间模型,分析在恒载及疲劳检算列车荷载作用下的全桥杆件受力情况,综合分析确定了连续钢桁拱桥受力最不利节点;(3)根据有限元结果中的杆件轴力影响线结合标准疲劳车的轴距和轴重计算出研究节点各连接杆件的轴力历程曲线。通过雨流计数法和等效应力准则计算出节点板局部模型边界处的等效应力幅值;(4)基于ABAQUS的二次开发功能,利用Python软件编写裂纹扩展程序,实现含裂纹结构的自动扩展功能,并通过中心水平裂纹板和单边斜裂纹板两个数值算例对该程序的准确性进行了验算。利用编写的程序对节点板在多轴载荷下的扩展路径进行了仿真,根据运算结果基于Paris裂纹扩展模型对裂纹扩展寿命进行了评估。研究了不同结构参数及断裂力学参数对疲劳裂纹应力强度因子及扩展寿命的影响。
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