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摘要
为探讨厚壁箱形钢桥墩的超低周疲劳裂纹萌生寿命及裂纹扩展规律,利用ABAQUS有限元分析软件对多组厚壁箱形钢桥墩在恒定竖向荷载和水平往复荷载作用下的超低周疲劳裂纹萌生、扩展与破坏过程进行数值模拟分析。对钢桥墩试件的1/2进行建模,采用壳单元和梁单元相结合的方法提高计算效率。采用基于Rice-Tracey模型的裂纹萌生准则和钢材混合强化模型对厚壁箱形钢桥墩的超低周疲劳裂纹萌生寿命进行预测,并使用一种基于极限断裂位移的裂纹扩展准则对超低周疲劳裂纹的扩展过程进行模拟。通过与既有试验结果的对比,验证所采用的裂纹萌生准则预测裂纹萌生寿命的准确性,以及所采用的裂纹扩展准则预测厚壁箱形钢桥墩裂纹扩展过程的准确性。对影响厚壁箱形钢桥墩疲劳裂纹萌生寿命、裂纹扩展规律的因素(即翼缘正则化宽厚比、正则化长细比、加载方式)进行参数化分析,研究厚壁箱形钢桥墩在不同结构参数条件下的破坏模式。将裂纹萌生寿命与超低周疲劳破坏寿命的差值定义为钢桥墩超低周疲劳剩余寿命,分析不同结构参数条件对钢桥墩超低周疲劳剩余寿命的影响。由于裂纹萌生寿命的模拟结果与试验结果较吻合,因此基于Rice-Tracey模型的裂纹萌生准则和钢材混合强化模型能准确预测厚壁箱形钢桥墩的裂纹萌生寿命。裂纹扩展长度的模拟结果与试验结果也吻合良好,因此基于极限断裂位移的裂纹扩展准则能准确预测厚壁箱形钢桥墩超低周疲劳裂纹的扩展过程。在验证有限元分析方法准确性的基础上,通过比较超低周疲劳破坏点与局部屈曲破坏点发生的时刻以及基于裂纹扩展长度的参数化分析结果,提出了不同结构参数条件下的三种破坏模式,分别为超低周疲劳破坏模式、局部屈曲破坏模式与混合破坏模式。结果表明:超低周疲劳破坏发生在翼缘正则化宽厚比和正则化长细比较小时,局部屈曲破坏发生在翼缘正则化宽厚比和正则化长细比较大时;钢桥墩超低周疲劳剩余寿命不仅与翼缘正则化宽厚比和正则化长细比有关,还与试件的加载方式有关。研究成果对该类钢桥墩的抗震设计具有重要的参考价值。
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