疲劳效应的影响及研究.docxVIP

疲劳效应理论 1 Miner 理论 结构承受的应力循环是结构疲劳破坏的外因。在绝大多数的情况下，结构所承受的应力循环是变幅应力循环，而不是在试验中所采用的等幅应力循环，而且变幅应力的组合情况太多，在试验中是很难模拟的。要估计变幅应力循环对结构的影响，就要用到疲劳的累积损伤理论。线性疲劳累积损伤理论是指在循环荷载作用下，疲劳损伤是可以线性地累加的，各个应力之间相互独立和互不相关，当累加的损伤达到某一数值时，试件或构件就发生疲劳破坏。线性累积损伤理论中典型的是 Palmgren-Miner 理论，简称 Miner理论。Miner 理论对于疲劳累积损伤理论的总结为： (1)一个循环造成的损伤： （5-14） 其中：N为对应于当前荷载水平S的疲劳寿命。 (2) 常幅荷载下，n次循环造成的损伤： （5-15） 变幅荷载下，n次循环造成的损伤： （5-16） 该理论认为如果材料承受幅值为σαi的荷载，重复Ni次破坏，则在整个过程中，材料所受的损伤可线性地分配给各个循环，也即每循环一次材料受到的损伤为。若σαi循环ni次，则材料的损伤。在不同的荷载作用下，损伤分别为，当总的损伤达到 1 时，结构就发生疲劳破坏。即材料疲劳破坏的判据为： （5-17） 式中：D为结构的损伤度； ni为结构实际经受的量值为Δσi的应力循环次数； Ni为Δσi作用下结构的疲劳寿命。 许多试验统计事实表明：Miner 理论较好地预测了工程结构在随机载荷作用下的均值寿命，所以尽管在过去的几十年中相继提出了数十个疲劳累积损伤理论，但 Miner 理论仍然是被普遍采用的工程抗疲劳设计准则。如果随机载荷系列中的疲劳载荷几乎都处于 HCF（高周疲劳）区，那么用 Miner 线性疲劳累积损伤理论足够了；如果随机载荷系列中有相当比例的疲劳载荷处 LCF（低周疲劳）区，则用修正的线性疲劳累积损伤理论效果很好。 2 超重汽车荷载疲劳效应分析 对于汽车活载效应比较显著的桥梁结构而言，材料的疲劳也会导致混凝土强度衰减，其效应在实际工程中不可忽略。特别是汽车超重，致使桥梁和路面发生严重的早期破坏，是不少国家特别是发展中国家中普遍存在的问题。 首先要进行荷载效应Δσe的统计分析。为了对桥梁构件或构造细节进行疲劳可靠性分析，必须了解构件或构造中应力幅的时间历程，需要进行荷载效应Δσe的统计分析，也就是在实际车辆荷载作用下，细节中产生的变幅重复应力的变化情况，为此必须对构件的应力历程进行调查统计。对其主要构件或细节的应力历程进行监测，就得到该构件或细节在车辆荷载作用下的应力时程曲线。 要进行疲劳损伤分析，除疲劳应力谱之外，还需 S-N 曲线和损伤准则。本文采用大连理工大学宋玉普等的研究成果，在 S-N 曲线中把最小应力与最大应力的比值作为第三个变量，受压状态下混凝土 S-N 关系可表示为： （5-18） 式中：fcm为混凝土单轴抗压强度；R =σmin /σmax为应力循环中最小应力与最大应力比值；β=0.072，为材料常数。疲劳损伤准则采用Miner线性累计损伤准则，其理论表达式为： （5-19） 其中：为对应应力均值为、幅值为的实测循环次数，为对应应力均值为、幅值为的疲劳破坏循环次数，D为损伤度。 设超重汽车过桥时引起的该桥主跨跨中底板最大、最小应力分别为σqcimax、σqcimin，根据 Miner 理论和式(5-18)，可得： （5-20） 其中： Nqci为跨中底板超重车辆荷载作用下的疲劳破坏循环次数， Rqci=σqcimin/σqcimax。则超重车辆荷载一次移动加载引起的跨中底板疲劳损伤为： （5-21） 3 基于长期监测应变数据的超重汽车荷载疲劳效应分析算例 我国不少省市道路上汽车超重现象相当严重。为此，本文基于长期健康监测数据进行超重汽车计算分析。本文选取主 2#墩至主 3#墩之间的跨中底板对应力效应较为明显的实测数据进行超重汽车荷载疲劳分析。 采用4.7节由传感器编号为2-3MID-2的监测数据分析得到的超重汽车应变数据样本，根据应力-应变方程： σ = E? ε (5-22) 其中：E为混凝土弹性模量。可以得到该处的超重汽车疲劳应力谱，统计的结果见表5-5： 表 5-5 超重汽车样本统计 荷载类型 数目 应变变化范围（με） 应力变化范围（MPa） 超重汽车 154 18~58.82 0.621~2.07 尽管桥梁汽车荷载及其荷载效应的随机性非常复杂，但是其不确定性还是可以进一步的分解成为桥、汽车荷载、汽车位置、汽车冲击效应和其他方面的不确定性。汽车荷载的分布还是为一