钢桥疲劳分析
桥梁疲劳
钢桥疲劳设计综述桥梁结构中的应力脉动主要是由活载及其引起的桥梁震动所造成的。
应力变动的幅度越大，即使平均应力小于屈服应力也会发生疲劳破坏。
铁路桥梁列车活载比较大，引起的震动也比较大，所以，铁路桥的疲劳问题更加突出。
公路桥中有些应力变化比较大的地方也要注意疲劳问题。
比如斜拉索如果经常发生风震也会发生疲劳问题。
造成疲劳破坏的原因有钢材的材料特性和局部拉应力的集中程度。
外因则是应力反复的循环特征和次数。
因此在计算结构进行疲劳研究时，需要对上述内因和外因做研究。
1.钢桥的疲劳特征钢桥的疲劳一般认为疲劳失效通常起始于高应力区，如几何突变处、受拉残余应力区和尖锐的不连续处（按裂纹处理）。
在循环应力作用下，疲劳裂纹始于此处，最终在剩余界面不能承受荷载峰值时构件失效。
疲劳裂纹的扩展近似沿最大主应力的垂直方向，其扩展速率成指数增长，早期增长较慢，占疲劳寿命的大部分。
由于这个原因，要较发现钢结构的裂纹则比较困难。
在设计钢桥时，比较容易发生疲劳裂纹的部位有：焊缝的根部或焊址、倒角、冲孔或钻孔、剪开边或锯开边、高接触压力下的表面、张紧索的根部、材料的不连续处或焊接缺陷、由于机械损伤而形成的刻痕或擦痕。
另外，在荷载具有较高动静比、荷载作用频繁、采用焊接、复杂接头的部位、环境的影响也会引起疲劳。
2.疲劳的分析处理方法疲劳的分析处理方法主要有以下四类：（1）无限寿命设计无限寿命设计方法的出发点是构件在设计应力下能够长期的安全使用。
对于等循环应力，即应力幅和平均应力不随时间变化的稳定交变应力状态，无限寿命设计方法的强度条件是构件的工作应力不小于等幅疲劳应力极限强度。
对于随时间变化的不稳定的交变应力状态，可按最大应力幅小于构件的疲劳应力极限进行设计。
无限寿命设计作为一种简化的设计方法，往往使设计的构件过于笨重。
为了充分利用材料的承载潜能，设计应力水平不断提高，疲劳设计方法也从无限寿命设计进入有限寿命设计阶段。
（2）安全寿命设计安全寿命设计是保证结构在一定使用期内不发生疲劳破坏，因此允许构件的工作应力超过疲劳极限。
钢桥疲劳研究关键技术分析
钢桥疲劳研究关键技术分析刘晓光(铁道科学研究院 北京 100081)摘 要 针对当今大跨度钢桥的建设和既有钢桥的使用状况进行分析,结合工程建设和运营管理中涉及疲劳的重点研究领域作了阐述,对钢桥疲劳研究成果的应用作了归纳,并展望了钢桥疲劳研究的前景。
关键词 钢桥 疲劳 整体节点 正交异性 寿命THE KEY TEC HNI QUE ANA LYSIS ON FATI GUE RESEARC HES OF STEEL BRI D GELiu X iaoguang(China Acade my of Railway Science Beijing 100081)ABSTRA CT The construction of long 2spa n steel bridges and the status of e xisted bridges are analyzed.Main fatigue re searches fields are de scribed wit h e nginee ring co nstr uction and ope ration management ,application of the achievements for steel bridge fatigue r esea rc h are induced.Furt her more ,the f oreground of steel bridge f atigue resea rch is prospected.KEY WO R DS steel bridge f atigue integral joints ort hotropic life作 者:刘晓光 男 1961年6月出生 博士 研究员x @11收稿日期61 引 言世界钢(铁)桥的应用和建设已经有200余年的历史,从1779年在英国建造的第一座铁桥到1874年的第一座钢桥,再到1880年建造第一座铁路钢桥,整整经过了百年时间,而此后的100多年则是钢桥发展时代。
钢结构桥梁的疲劳与寿命评估
钢结构桥梁的疲劳与寿命评估钢结构桥梁作为现代城市交通的重要组成部分，承载着大量的车辆和行人通行任务。
然而，长期以来，由于外界环境和车辆荷载的作用，钢结构桥梁容易受到疲劳损伤，严重影响其使用寿命和安全性。
因此，进行钢结构桥梁的疲劳与寿命评估是至关重要的。
一、疲劳损伤机理疲劳是指物体在经历了一定次数的应力循环加载后发生损伤的现象。
钢结构桥梁受到交通荷载作用时，会产生周期性的应力变化，而长期循环加载会导致钢构件内部的裂纹逐渐扩展，最终引发疲劳破坏。
常见的疲劳损伤机理包括低周疲劳、高周疲劳和蠕变疲劳等。
低周疲劳是指加载周期较长，应力变化较大的疲劳损伤，主要发生在大型移动荷载作用下；高周疲劳是指加载周期较短，应力变化较小的疲劳损伤，主要发生在交通荷载作用下；蠕变疲劳则是由于长期受到恶劣环境条件作用下，钢结构桥梁会出现温度变形和应力松弛，从而引发蠕变破坏。
二、疲劳与寿命评估方法为了确保钢结构桥梁的安全使用和延长其寿命，需要进行疲劳与寿命评估。
在评估过程中，可以采用以下方法：1. 材料试验与力学性能研究：通过对钢材料的拉伸试验、冲击试验等试验手段，获取钢材料的力学性能参数，进而分析其疲劳性能。
2. 荷载测量与应力分析：通过悬挂应变片、应变计等装置对桥梁进行实时荷载测量与应力分析，以获取荷载数据与桥梁的应变应力分布情况。
3. 疲劳寿命计算：根据钢材料的疲劳试验数据和荷载数据，采用伤害累积理论来计算钢结构桥梁的疲劳寿命。
4. 结构健康监测：借助现代技术手段，如无损检测、振动测试等，对钢结构桥梁的健康状况进行实时监测，及时发现疲劳裂纹、变形等问题。
5. 寿命预测与可靠性评估：通过建立可靠性模型，综合考虑材料的疲劳特性、载荷环境、结构健康状况等因素，对钢结构桥梁的寿命进行预测与评估。
三、寿命延长与维护策略对于已经投入使用的钢结构桥梁，为了延长其寿命和保障其安全，需要采取适当的维护策略。
具体策略包括：1. 定期巡查与检测：定期对钢结构桥梁进行巡查与检测，发现潜在的裂纹、变形等问题，并采取相应的预防性维修措施。
midas fea_钢桥疲劳分析
即便作用在结构上的应力幅(σa)相同，但是平均应力(σm)不相同时，结构的疲劳寿命也会不一样。平均应力越大，最大应力和疲劳极限应力就越小。为了考虑平均应力的这种影响，Goodman和Gerber分别建议采用下面公式。
4
S-N曲线是等幅(constant amplitude)应力作用下发生疲劳破坏时的反复作用次数的曲线。实际发生的应力一般具有变幅(variable amplitude)特性。
5.使用修正系数调整S-N曲线中应力幅。
6.考虑平均应力的影响计算损伤程度。
7.使用Miner准则将损伤程度线性组合。
8.计算所有位置的疲劳寿命或安全系数。
三
1.
2.
本例题是介绍疲劳分析的过程和查看结果的方法，所以省略了建模的过程，直接打开已经建立的模式。
例题模型是使用钢桥面板的箱形桥梁，跨度为27.5m，用板单元模拟。桥幅宽度为15m，梁高为2.5m，横隔梁间距为5.0m，上部U型加劲肋间距为0.64m。
疲劳荷载由几个疲劳荷载组构成，疲劳荷载组由线性分析中的荷载组的应力和用户定义的历程曲线构成。
线性分析的应力结果乘以历程曲线就是疲劳荷载组。多个疲劳荷载组将组成一个疲劳荷载，使用该疲劳荷载进行疲劳分析。
定义荷载谱/应力谱
通过定义集中系数、荷载组、曲线等定义疲劳荷载组。
定义荷载重复次数
输入疲劳荷载重复的次数。
2.
疲劳分析的步骤如下：
1)首先做结构静力分析确定最大和最小应力的绝对值或者计算von Mises应力，从而获得应力幅。
2)当作用应力为变幅时，使用可将各应力幅组成起来的雨流计数法(Rainflow counting)和S-N曲线计算。
3)考虑平均应力的影响确定疲劳寿命和损伤度。
钢桥疲劳分析
Stress 0
Typical curve for concrete steel reinforcement
Rod
Stress range
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S-N 曲线
钢桥疲劳分析
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2. 分析步骤
钢桥疲劳分析
1) 首先做结构静力分析确定最大和最小应力的绝对值或者计算von Mises 应力，从而获得应力幅。 2) 当作用应力为变幅时，使用可将各应力幅组成起来的雨流计数法(Rain flow counting)和S-N曲 线计算。
Fatigue damage = 0.9 means: 1,000 load cycles can be applied before fatigue failure.
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5. 疲劳分析
钢桥疲劳分析
BS 5400中，对钢桥不同构造细节分为9个等级。在本案例中，主要分析U型肋与横隔板相接处的疲
劳效应。该部位为BS5400规范c细节分级。将对应等级参数从表格中选取带入S-N曲线方程式中， 得到该分级的疲劳曲线。
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钢桥的疲劳分析范文
钢桥的疲劳分析范文引言：钢桥是一种重要的交通基础设施，承担着车辆和行人的通行。
长期以来，由于交通流量的增加和重载车辆的增多，钢桥疲劳已成为桥梁设计和维护的重要问题。
本文将对钢桥的疲劳问题进行分析，探讨其原因、影响因素以及相应的解决方案。
一、疲劳问题的原因1.动力因素：钢桥在承受车辆荷载的同时还要面对自身的自重和震动荷载。
长期以来，车辆荷载和震动荷载的频繁作用会导致钢桥的材料疲劳，进而导致桥梁的损坏和断裂。
2.环境因素：钢桥承受了来自自然环境的多种因素的影响，如气候变化、温度差异和湿度等。
这些因素会导致桥梁材料的膨胀和收缩，从而产生内部应变，加速钢桥的疲劳破坏。
3.施工因素：钢桥的施工质量将直接影响其使用寿命和疲劳性能。
如果施工质量不达标，如焊接不牢固、连接部位强度不足等，将使钢桥易受疲劳破坏。
二、疲劳破坏的影响因素1.轴重：车辆荷载是引起桥梁疲劳破坏最主要的因素之一、大型重型车辆以及超限荷载的频繁通行将极大地加速钢桥的疲劳损伤。
2.荷载频率：荷载频率指的是钢桥受到车辆荷载的作用频率。
频繁通行以及车流量大的地区会导致高频率的荷载作用，进而加速疲劳破坏的发生。
3.震动荷载：震动荷载是指由于地震、强风和行人等外来因素引起的钢桥振动荷载。
频繁的震动荷载会对钢桥产生影响，从而影响其疲劳性能。
4.桥梁结构设计：桥梁的结构设计将直接影响其抗疲劳能力。
合理的结构设计可以减少桥梁的应力集中和疲劳问题的发生。
三、疲劳分析和解决方案1.疲劳分析方法：采用有限元方法对钢桥进行疲劳分析，模拟不同荷载条件下的桥梁应力分布。
通过数值计算和模拟试验，对桥梁的疲劳性能进行评估，找出潜在的疲劳破坏部位。
2.组织检测和监测：通过常规的检测方法，如无损检测和应力监测，定期对钢桥进行结构健康检测。
及时发现和修补疲劳破坏的部位，可以提高钢桥的抗疲劳性能。
3.结构优化：通过改进桥梁结构的材料和几何形状，降低桥梁的应力集中和疲劳问题的发生。
采用较短的跨度和更好的材料可以有效地提高桥梁的抗疲劳能力。
现代公路钢桥典型细节疲劳问题分析
文章编号:0451-0712(2007)04-0082-06 中图分类号:U44114 文献标识码:B 现代公路钢桥典型细节疲劳问题分析任伟平,李小珍,李 俊,卫 星,强士中(西南交通大学土木工程学院 成都市 610031)摘 要:疲劳是导致钢桥使用寿命缩短的主要因素之一,在设计、制造、架设及后期维护中需特别注意钢桥构造细节的疲劳问题。
在对疲劳荷载谱、疲劳损伤累积理论和焊接钢桥疲劳薄弱部位等分析的基础上,总结了焊接钢桥疲劳分析中需注意的一些问题。
结合近些年来我国大跨径公路钢桥的建造情况,根据对部分关键构造细节所进行的疲劳试验结果,分析了几种新型结构型式和制造工艺中所存在的疲劳问题。
最后总结了防止钢桥疲劳破坏的方法,指出了目前我国钢桥疲劳研究中存在的一些问题。
这对有效防止钢桥疲劳破坏事故的发生,提高我国钢桥的设计和制造水平具有重要的意义。
关键词:钢桥疲劳;疲劳荷载谱;索梁锚固;整体节点;钢桥面板;管节点;短吊杆 各种连接细节的疲劳性能是钢桥研究的重点问题之一。
20世纪60年代,由于当时对公路钢桥疲劳认识不足,建造的钢桥中出现了许多设计不合理的焊接接头,在随后日益繁忙和加重的运输荷载作用下,许多焊接钢桥出现了疲劳裂纹,甚至发生了一些灾难性事故,特别是1967年美国西弗吉尼亚的Po in t P leasan t桥因疲劳和断裂而突然破坏的重大事故,引起了人们对钢桥疲劳的关注。
近些年来,各种形式的钢桥开始在我国得到大规模建设,特别在特大型桥梁中钢桥更是占据了主要地位,随之一些新型结构型式和制造工艺也不断出现在现代钢桥中。
目前我国的钢桥设计正朝着下面的方向发展:(1)设计变得更复杂;(2)较厚的高强度焊接结构材料比薄的较低强度铆接、栓接用的更基金项目:交通部西部交通建设科技项目(200431822317)收稿日期:2006-12-11用整体现浇的施工方法时,由于立模板的原因,截面通常需要分层浇注,也就是说,至少需要等2次混凝土到达龄期时间,再加上各道工序,施工一跨时间至少需要1个月左右的时间。
焊接钢桥结构细节疲劳行为分析及寿命评估的开题报告
焊接钢桥结构细节疲劳行为分析及寿命评估的开题报告一、选题背景与研究意义随着我国经济的快速发展，交通运输行业得到了快速发展和加强。
钢桥作为其中的一个重要组成部分，因其优越的性能，在桥梁建设中得到了广泛应用。
以焊接钢桥为例，由于焊接接头是结构中最薄弱的部分，其疲劳行为表现出的损伤程度会对结构的安全性产生重大影响。
因此，对焊接钢桥的疲劳行为分析及寿命评估研究显得尤为重要。
二、研究内容和思路本文将重点研究焊接钢桥结构的疲劳行为及寿命评估。
具体内容如下：1. 焊接钢桥结构疲劳行为分析通过建立疲劳荷载工况，分析焊接钢桥结构中疲劳损伤的形态、位置和程度，探索疲劳行为产生的原因以及影响因素。
2. 焊接钢桥结构的寿命评估将研究对象的疲劳数据建模，利用疲劳剩余寿命模型进行寿命预测；同时，结合结构疲劳裂纹扩展规律，计算裂纹扩展至临界尺寸所需的工作时间，建立结构疲劳寿命评估方法，为焊接钢桥结构的寿命评估提供基础性方法。
三、研究结果和创新性1. 分析了焊接钢桥结构中疲劳损伤形态、位置和程度，进一步探索了疲劳行为产生的原因及其影响因素。
2. 建立了疲劳数据建模，并利用疲劳剩余寿命模型进行寿命预测及结构疲劳裂纹扩展规律计算，建立了评估方法，为焊接钢桥结构的寿命评估提供基础性方法。
3. 通过将分析结果与实际检验结果相互印证，证明了研究成果具有较好的适应性和可行性，可以为焊接钢桥的安全设计和监管提供科学依据。
四、可行性分析和预期效果本研究的可行性和预期效果如下：1. 研究内容较为独特，并具有一定的实际应用价值，对当前的钢桥建设和管理具有较好的指导价值。
2. 研究方法具有一定的创新性和先进性，可以为类似问题的解决提供有益的参考意见。
3. 结果具有较好的适应性和可行性，对于提高钢桥结构的安全性和可靠性具有重要作用。
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8. 平均应力效应（Mean Stress Effect）
Su: Ultimate tensile strength
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Se: Fully reversed fatigue strength
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3. S-N 曲线
抗疲劳的特性可以用S-N曲线来代表。S-N曲线用钢材在常幅应力下的重复次 数来表示。 抗疲劳破坏的特性直接与应力幅值相关。 画出应力幅S与疲劳重复次数Nf的相关曲线叫做S-N曲线。 施加荷载是常幅荷载。
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加载循环次数
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在本案例中，考虑了汽车荷载匀速通过桥面一次的加载， 计算损伤度。用户可以根据实际要考虑的时间区段内， 模型车通过的次数，循环加载计算该时间段内的损伤度。
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汽车荷载是按照BS5400规范中的320kN、4轴标准疲劳车加载的。并且，按照BS5400规范要求， 单车道加载。加载位置，考虑到正交异性钢桥面板疲劳薄弱处多为桥面板与横隔板连接处、U型肋 与横隔板连接处等，本案例的加载位置选择跨中横隔板弯矩最大的影响线加载。
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7. Miner 法则（Miner rule）
对于疲劳破坏可以看成材料损伤的累积。 累积损伤假定每个荷载循环产生相同程度的材料损伤。Miner 法则也就是线 性累积损伤法则。
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5. 疲劳分析
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应力选项
在对于钢桥，一般选择范梅塞斯应力即可。 类型则选择了应用较多的共享点的平均值。
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9. 钢桥疲劳分析（BS5400）
疲劳构造细节
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5. 疲劳分析
变幅-〉常幅 计算损伤度 FEA将组合为一个疲劳荷载得到的 变幅应力通过雨流计数法转换为多 个等幅应力，再适用前面理论中的 Miner线性累计损伤法则，求解损 伤度。
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6. 分析结果
疲劳损伤度
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-〉损伤度同前面疲劳寿命结果，跨中横隔板， 汽车加载位置处损伤度最大，约为0.0154 %。
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Part 1: 疲劳分析理论
1. 疲劳概念 2. 评价方式 3. S-N曲线 4.疲劳寿命 Part2：钢桥疲劳分析案例 1. 分析概要
2. 分析步骤 3. 模型建立
4. 静力分析 5. 疲劳分析
5.疲劳损伤度
6.复合加载 7.Miner法则 8.平均应力效应
6. 分析结果
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5. 疲劳损伤度
为评价给定应力幅的作用下，构件破坏前能够承受的加载重复次数，引出损 伤度的概念。
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If number of load cycles resisted is 10,000 for a given stress range, Fatigue damage = 0 means: 10,000 load cycles can be applied before fatigue failure. Fatigue damage = 0.9 means: 1,000 load cycles can be applied before fatigue failure.
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3. 模型建立
本例题是介绍疲劳分析的过程，省略了建模的过程。模型网格建立、边界及荷载中的恒载与线性分 析相同。此处，仅说明汽车荷载的施加。
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5. 疲劳分析
程序可以用直接输入方式或函数方式自定义S-N曲线。 直接输入方式是通过输入疲劳分析用特性值，生成FEA中自带的S-N 曲线。 可以按照下面程序推荐的S-N曲线。这里疲劳极限Se值可以输入1/2倍 抗拉强度，也可以根据情况输入用户自定义的数值。
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5. 疲劳分析
汽车荷载历程曲线 在结构贴应变片，实测应变记录后与静 力加载条件下应变结果求比值得到。 理想化汽车荷载时变函数，按节点动力 荷载施加，完成时程分析，得到应变随 时程的结果后与静力加载条件下应变结 果求比值得到。
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计算损伤度 通过应力幅得到各自幅的寿命，再通 过各自的次数得到损伤度，最后线性 累加得到总损伤度。
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6. 分析结果
疲劳寿命
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-〉可以看出跨中横隔板，汽车加载位置处寿 命最短，约为6.48e5次。
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内 容
破坏为止的加载重复次数 = 疲劳寿命
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4. 疲劳寿命
疲劳寿命是材料在破坏发生前能够承受波动应力和应变的重复次数。 疲劳寿命与波动应力、构件几何形状、试验条件相关。
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Part 2：钢桥疲劳分析案例
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1. 分析概要
钢桥的疲劳裂纹一般是由焊接缺陷、结构的几何形状引起的应力集中、结构的应力变动幅度以及重
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4. 静力分析
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5. 疲劳分析
可以通过勾选，Goodman或Gerber ，考虑前面理论中的平均应力效应 进行疲劳分析。
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9. 钢桥疲劳分析（BS5400）
疲劳设计准则
不考虑损伤度
应力幅最大值
满足上式，即疲劳寿命满足规范要求。
考虑损伤度
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