摘 要

桥梁结构是国家交通体系中非常重要的组成部分,其位置往往处于路线的咽喉部位。但是随着时间的推移，桥梁结构特别是水下桥墩部分不可避免的会出现破损和老化的问题。为了保证通行的安全性，我们必须评估现有桥墩结构的安全性，确定桥墩结构的剩余寿命。但是我国在这个方面的研究比较晚，只有少数的学者做过此类研究。对于已经建好的桥墩结构而言，随着时间的变化其受损情况是由多种外力作用共同决定的。本文主要系统地探讨了水下桥墩结构的剩余寿命的评估问题，主要工作有：

⑴确定桥墩结构剩余寿命理论。主要通过计算桥墩结构的累积疲劳损伤来确定其剩余寿命的，包括Miner线性疲劳累积损伤理论和材料结构的疲劳寿命曲线。

⑵对于荷载作用来说，首先要调查交通量的大小，分析交通量的分布规律。进一步将交通量转化为循环应力幅。其次要确定其它次要因素，比如船只或漂浮物的撞击、风力作用、水流作用等发生的频率。

⑶利用ANSYS有限元软件建立桥墩结构的物理模型，将各种荷载作用添加上去，研究模型结构的损伤部位，确定最大损伤部位，研究该部位钢筋混凝土中钢筋的损伤程度，来代替桥墩结构的损伤程度。进一步评估结构的剩余使用寿命。

关键词：桥墩疲劳寿命、交通荷载、应力谱、有限元模拟

Abstract

Bridge structures is a very important part of national transportation system, its position is often in the throat of the route. The bridge structure especially the underwater piers would inevitably encounter damage and aging problems with the passage of time. We must evaluate the safety of the existing bridge structure in order to guarantee the safety of traffic and determine the residual lives of bridge piers. But research on this field in China is late, only a few scholars have done such studies. As time changes its damage is determined by a variety of common external force for the bridge pier structure has been built. This paper systematically discusses the residual life assessment questions of underwater structure of piers, the main work includes:

(1) Determine the bridge pier structure theory of the residual life. Mainly through the calculation of cumulative fatigue damage of bridge structure to determine its residual life, including Miner linear fatigue cumulative damage theory and the structure of the material fatigue life curve.

(2) Diction for loading, first to investigate the size of the traffic flow, analysis of the traffic volume distribution. Further converting traffic to cyclic stress. Second to determine other minor factors, such as ships or collision, wind, the flow function of frequency.

(3) Using the ANSYS finite element software to establish a bridge pier structure physical model, will add up to all kinds of loads, the model of the structure of the injury, and determine the biggest injury, research the area that the damage degree of steel bar in reinforced concrete, instead of a bridge structure damage degree. Further evaluation of the structure of the remaining service life.

Key words: the fatigue life of bridge piers, traffic loading, stress spectrum, finite element modelling

目录

摘要 II

Abstract III

1.绪论 1

1.1问题的引入 1

1.2剩余寿命评估的研究历史以及现状 1

1.3水下桥墩结构剩余寿命的评估方法 2

1.4本文主要工作 3

2.桥梁结构剩余寿命理论概述 4

2.1桥梁结构剩余使用寿命的基本概念 4

2.1.1桥梁结构的剩余使用寿命 4

2.1.2材料的疲劳强度——寿命曲线（S-N曲线） 4

2.1.3 Miner线性疲劳累积损伤理论 5

2.2桥梁结构剩余使用寿命的评估方法 6

2.2.1桥梁交通量的调查及分布特征 6

2.2.2交通荷载的分布特点 7

2.2.3应力历程 7

2.2.4 应力谱 8

2.3本章小结 9

3．ANSYS有限元三维实体模型的建造 10

3.1.基础资料 10

3.1.1技术标准 10

3.1.2基本的建造条件 10

3.1.3建造材料及尺寸 11

3.2结构构造定位图 11

3.3 ANSYS有限元物理实体模型的建立 14

3.3.1基本的假定 15

3.3.2定义单元 15

3.3.3材料的参数 17

3.3.4耦合节点，划分网格，建立有限元物理实体模型 17

3.4本章小结 18

4.桥墩结构模型的力学性能分析 19

4.1模型的力学受力分析 19

4.1.1永久荷载作用 19

4.1.2可变荷载作用 19

4.1.3.偶然荷载作用 20

4.2模型作用效应组合的原则 21

4.3本次研究中荷载的取用 21

4.3.1永久荷载作用 22

4.3.2 可变荷载作用 22

4.3.3偶然荷载作用 25

4.4荷载施加准则 26

4.5本章小结 26

5.模型加载以及分析 27

5.1模型受力加载 27

5.2结果分析 27

5.3计算结果 30

5.4本章小结 31

6结论与展望 32

6.1结论 32

6.2展望 32

参考文献 34

致谢 35

1.绪论

1.1问题的引入

国际标准组织对疲劳的标准定义是材料在应力或应变的作用下材料本身所发生的性能变化。疲劳破坏是构件破坏的一种非常重要的形式，其广泛存在于社会发展的各个领域。对于桥梁结构而言，疲劳破坏而引发的桥梁坍塌事件屡见不鲜。随着社会的不断发展，中国的车辆拥有数量也飞速的增加，这对已建和在建的桥梁结构提出了更高的要求。虽然政府每年这个领域投入了大量的人力和财力力求满足社会发展的需求。同时对现有桥梁结构的剩余寿命评估和损伤修复也成为了一个重要课题。之所以桥梁结构的剩余寿命评估的重要意义在于以下几个方面。首先，桥梁结构往往是这个国家或区域的关键性工程，桥梁结构的破坏或坍塌将会造成巨大的生命损伤或经济损失。其次，由于以前的疲劳寿命理论发展不够完善，人们对疲劳方面问题的认识不够深入，现有桥梁的设计往往很少或者没有涉及到疲劳方面，那么为了保障人们的生命财产的安全，对其进行剩余寿命的评估就显得格外重要。第三，许多实验表明，维护的相对较好的桥梁结构虽然按照设计规范已经破坏，其实其还有不少的剩余寿命，对其进行剩余寿命的评估将会带来很大的经济效益。最后，现有桥梁结构有的历史比较悠久，一部分已经成为重要的景观或者地标建筑，对其进行剩余寿命的评估进而在此基础上的养护维修无疑会带来重要的社会意义。