清华大学土木系钢桥结构的疲劳破坏分析XXX 201XXXXXX2014-9《钢结构断裂与疲劳》课程论文钢桥结构的疲劳破坏分析（XXXX，土硕X，学号：201XXXXXX）摘要：随着钢桥设计理论和制造技术的快速发展，国内外钢桥迎来了蓬勃发展的时代。
但同时，钢桥的疲劳问题也越来越引起人们的注意。
本文从国内外研究现状、现存技术问题及研究方法等方面对钢桥疲劳问题进行综合阐述。
关键词：钢桥疲劳寿命焊接节点1前言在20 世纪三十年代以后，随着钢桥设计理论和制造技术的快速发展，国外公路钢桥迎来了蓬勃发展的时代。
虽然我国的公路钢桥发展起步较晚，但是从20 世纪八十年代中期以后，随着国内经济与技术水平的迅速提高，我国大跨度公路钢桥进入了建设的高峰期。
尤其进入21 世纪后，我国快速建成了一批规模进入世界前列的钢桥。
随着钢桥的建设规模记录不断被刷新，钢桥已成为大跨度桥梁的主要形式[1]。
近年来，虽然人们对疲劳断裂问题的研究已有一定的进展，工程师也采取了不少预防措施，但是陆续还是有一些钢桥发生疲劳破坏事故，这说明进行钢桥疲劳破坏分析、预测是十分必要的。
但是这项工作同时也是十分困难的。
本文就目前国内外的钢桥疲劳破坏的相关情况予以综述，让读者更加了解钢桥的疲劳破坏。
2国内外研究现状2.1国外钢桥疲劳问题研究历程及现状人们对疲劳问题的研究历史最早可以追溯到19世纪初[2]。
当时金属材料在交通工具和机械设备中逐渐得到广泛的应用，但其中的一些运动部件时常发生破坏。
这些破坏多发生在部件截面尺寸突变处，而且破坏时的应力远低于材料的屈服强度，这些问题引起了工程师们的关注。
1829年，德国矿业工程师W.A.J.Albert对矿山传送带链条进行了反复加载试验，这被公认为是人类最早的疲劳研究工作[3]。
1837年，他发表了第一篇关于疲劳试验结果的论文[4]。
1843年，苏格兰土木工程师W.J.M.Rankine最早研究发现了铁路机车车轴的疲劳破坏是由裂纹出现和发展造成的。
1847年，德国工程师Wöhler开始对疲劳问题进行深入系统的研究。
1850~1869年间，Wöhler利用自行设计的疲劳试验机，对机车车轴进行疲劳试验。
1871年，他发表了最终研究报告，提出了S-N曲线和疲劳极限的概念，明确应力幅是疲劳破坏的决定因素，奠定了金属疲劳研究的基础。
1874年，德国工程师H.Gerber开始对抗疲劳方法进行研究，提出了考虑平均应力影响的疲劳寿命计算方法。
20世纪初，人们开始利用显微镜来研究疲劳机理，研究循环应力产生的滑移痕迹。
1910年，美国学者O.H.Basquin提出了描述金属材料S-N曲线的经验规律，发现在很大应力幅范围内应力幅与疲劳寿命在双对数坐标系中存在线性关系。
1940年，前苏联工程师C.B.CepeHceH提出了无限疲劳寿命设计和有限疲劳寿命设计的概念。
1945年，美国飞机工程师M.A.Miner在A.Palmgren等人研究的基础上将疲劳线性累积损伤理论公式化，形成了著名的Miner线性累积损伤理论[5]。
该理论形式简单，并被许多试验数据所验证。
尽管后来该理论已经被证明并不是完全准确，但是因其能够基本满足工程需求，所以还是被写入一些疲劳规范，得到广泛应用。
从20世纪初开始，一门新兴的学科——断裂力学得到迅速发展。
由于断裂理论能够描述疲劳裂纹扩展过程，因而断裂力学方法成为研究疲劳问题的主要手段。
1920年，英国工程师A.A.Griffith提出了脆性断裂的第一个定量理论[6]，该理论认为裂纹的存在与发展是导致断裂的原因。
当裂纹尺寸a超过临界裂纹尺寸ac时，脆性物体将断裂，这就是著名的Griffith判据。
该判据的提出奠定了断裂理论的基础。
1948年，美国学者G.R.Irwin对Griffith理论进行修正，引入一个裂纹能量释放率G，将G=Gc作为裂纹临界平衡状态的判据，其中Gc代表G的临界值。
Irwin判据的提出标志着线弹性断裂力学的诞生[7]。
由于G值计算并不方便，Irwin 在1957年提出了一个新的物理量——应力强度因子K，K是一个仅与裂纹尖端局部相关联的量，它的确定比G相对容易。
此后在1960年前后，Irwin用石墨做试验，测出裂纹扩展到极限时的K值，记为Kc（后来称为断裂韧性），并提出了新的断裂判据：K=Kc。
1957年，P.C.Paris发现应力强度因子K是影响疲劳裂纹扩展速率的关键参数[8]。
1963年，Paris和Erdogan将疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子幅ΔK联系起来，提出了著名的Paris公式[9]，开创了基于断裂力学的疲劳研究方法。
该公式的提出使得疲劳裂纹扩展研究向前迈进了一大步，通过ΔK就可以分析任意裂纹在任意荷载下的扩展情况，可以避免进行大量的高成本疲劳试验。
由于Paris公式形式简单，而且能够较好地描述疲劳裂纹扩展过程，因此目前被广泛地应用。
在此之后，一些学者在Paris公式的基础上提出了修正的疲劳裂纹扩展速率公式。
20世纪六十年代后，随着一些严重的钢桥疲劳破坏事故的发生，发达国家对钢桥疲劳问题的研究全面展开。
从1967年开始，美国公路界开始了一个规模较大的疲劳试验工作，除了对实桥进行观测之外，也在室内对焊接钢梁进行了许多疲劳试验。
1977年，基于大量的试验数据，美国学者J.W.Fisher编著了关于钢桥疲劳设计指导书籍，该书由钱冬生翻译为中文版《钢桥疲劳设计解说》。
书中指出，对结构疲劳性能起决定作用的应力参数是应力幅，而不是应力比。
1976年，美国的3本钢结构（钢桥）设计规范，即公路钢桥的AASHTO、铁路钢桥的AREA 和钢结构的AISC，均采用了按应力幅进行疲劳验算的新规则[10]。
1980年，在对已有疲劳试验数据进行全面分析研究后，英国发布了专门针对钢桥疲劳设计的BS5400规范第10篇。
该规范应用了当代钢桥疲劳研究的最新理论成果，在较长的一段时期内都处于领先的水平。
另外，随着结构可靠度理论的发展，疲劳问题的可靠度分析已经成为近期的研究热点，也已经取得了不少探索性的成果，不过与实际应用还有一定的距离。
尤其对于钢桥疲劳问题，现有的研究水平还未能很好地解决复杂的工程问题。
2.2国内钢桥疲劳问题研究历程及现状我国在疲劳问题方面的研究起步较晚，钢桥疲劳设计和评估大都是借鉴英国、美国和日本等国家的成功经验，还缺乏对钢桥的疲劳问题进行系统深入的研究[11]。
1986年，钱冬生编写了国内第一本关于钢桥疲劳问题的专著《钢桥疲劳设计》[12]，该书详细介绍和讨论了当时国际上关于钢桥疲劳的最新理论方法。
我国钢桥疲劳研究早期主要集中在铁路桥方面，对铁路钢桥剩余疲劳寿命评估工作始于20世纪80年代[13]。
近年来，日益严峻的公路老龄钢桥疲劳问题引起了许多学者的关注，为此提出了一些评估老龄钢桥剩余疲劳寿命的方法，为老龄钢桥的检修和加固提供指导依据。
目前，国内的一些钢结构设计规范，例如铁路行业的《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB10002.2-2005），建筑行业的《钢结构设计规范》（GB50017-2003），均采用应力幅作为疲劳验算的参数，但这些规范与发达国家的规范相比还是比较简单[14]。
公路行业的《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）则至今没有更新，在疲劳问题方面已不能满足公路钢桥快速发展的需要。
由于我国公路钢桥在荷载形式、构造细节、材料性能等方面与国外钢桥有不少差异，直接套用国外规范是欠妥的，尚需完善针对我国公路钢桥的疲劳荷载模型、疲劳构造细节分类、疲劳寿命曲线和疲劳分析方法等重要内容。
3钢桥疲劳分析的主要方法疲劳寿命是设计人员和工程技术人员十分关注的课题，通常疲劳分析的最终目的就是要确定结构或构件的疲劳寿命。
尽管对于该问题也做过大量的试验，也得到了不少有益的数据，然而在复杂疲劳载荷作用下的疲劳寿命计算仍是一个十分困难的问题[15]。
因为要计算疲劳寿命必须有精确的载荷谱、材料特性或构件的S-N曲线、合适的累积损伤理论、合适的裂纹扩展理论等，同时还要把一些影响疲劳寿命的主要因素考虑进去，因此对于目前国内外的疲劳寿命计算方法，准确的讲只能做到估算或者说预测[15]。
目前，疲劳寿命评估方法主要有：传统疲劳寿命评估方法、基于断裂力学的疲劳寿命评估方法和基于损伤力学的疲劳寿命评估方法。
3.1传统疲劳寿命评估方法传统的疲劳寿命评估方法是建立在S-N曲线和Palmgren-Miner线性累积损伤准则基础上的，具体又可以分为名义应力法和局部应力应变法。
名义应力法是以名义应力为控制参数，通过疲劳试验获得名义应力的疲劳寿命曲线，即S-N曲线，通过载荷谱的分析，并按照一定的损伤累积法则来计算预测构件的疲劳寿命。
这种方法以疲劳试验为基础，具有较高的可靠度，因而在工程上得到广泛的应用，这种方法得到的疲劳寿命为总寿命[15]。
局部应力应变法结合材料的循环应力应变曲线，通过弹塑性有限元分析或其他计算方法，将构件上的名义应力谱转换成危险部位的局部应力应变谱，然后根据危险部位应力应变历程估算寿命[15]。
名义应力法适用于承受低应力、高循环的结构，局部应力应变法适用于承受高应力、低循环的结构。
由于钢桥结构一般作用应力不超过屈服点，因此通常使用名义应力法进行疲劳寿命评估。
在获得了桥梁结构的应力时间历程后，为了获得应力幅的变化情况，通常利用循环统计计数方法进行分析，可以得到不同的应力幅及相应的应力幅循环次数，即在疲劳分析中可以直接使用的应力频值谱（简称应力谱）。
通常使用的循环统计计数方法包括普通计数法、功率谱法、雨流计数法、泄水池法等。
工程上最常用的方法是由日本学者M·Matsuishi和T·Endo在1968年提出的雨流计数法[15]。
目前疲劳累积损伤理论有几十种，可分为线性累积理论、修正的线性累积损伤理论、双线性疲劳累积损伤理论、非线性疲劳累积损伤理论和概率疲劳累积损伤理论等。
其中，Plamgren-Miner线性累积损伤理论，简称Miner理论在工程上广泛应用。
另外，Mason双线性累积损伤理论、Marco-Starkey损伤曲线法、Carten-Dolan非线性疲劳累积损伤理论等都很经典[15]。
由于大多数疲劳参数，例如S-N曲线中的材料参数C是通过常幅应力循环下的疲劳试验获得的，所以在得到桥梁构件的变幅应力幅后通常需要将其转变为等效的常幅应力幅。
通常使用的转化方法有：Miner准则、修正的Miner准则、均方根法、改进的均方根法和等效折算法等[15]。
3.2基于断裂力学的疲劳寿命评估方法传统的疲劳寿命评估方法假定结构没有裂纹，评估的是从裂纹产生到扩展，直至结构破坏的全过程。
断裂力学方法描述的是具有初始裂纹缺陷的结构，在交变载荷的作用下裂纹扩展的过程。