强震作用下考虑局部损伤效应的钢桥抗震设计方法研究

Local buckling of steel plates and ultra-low cycle fatigue failure of welded joints are typical failure modes of steel bridges under strong earthquakes. However, there are still no effective earthquake seismic response calculation methods of steel bridges that can consider the above two damage effects in practical seismic design. To solve this problem, hysteresis model of the damage area and ultra-low cycle fatigue performance of welded joints are considered as the emphases for research in this project. Firstly, the length of damage area, equivalent stress-strain relationship of fiber, the effect of plastic damage and cumulative energy consumption on longitudinal stiffness of steel plates are to be studied, and hysteresis model based on beam theory considering local buckling effect of steel plates is going to be established. Meanwhile, the component damage index reflecting the declining degree of stiffness and bearing capacity would also be proposed. Then, the research about the ultra-low cycle fatigue strength of base metal and welded joints of Q345 steel widely used in steel bridges is going to be conducted based on results of axial high strain cyclic loading tests and electron microscope scanning for smooth notched round bar specimens. Furthermore, by means of analyzing stress triaxiality, tensile and compression effect on the fatigue damage accumulation, cyclic void growth model (CVGM) will be attempted to be improved. Lastly, according to comparison about the limit strength of two typical failure modes of the steel piers, the control condition of the structural damage form is to be analyzed. Through the above theoretical analysis and experimental research, the aim of establishing the calculation theory of beam structure considering local buckling effect and the checking method of ultra-low cycle fatigue performance for steel bridges will be realized.

钢板局部失稳和焊接接头超低周疲劳破坏是钢桥在强地震作用下的典型失效模式，但目前仍未建立可用于工程设计的考虑这两种局部损伤效应的钢桥地震反应计算方法。为此，本项目以损伤区的滞回模型和焊接接头的超低周疲劳性能为重点，研究损伤区长度和纤维的等效应力-应变关系、塑性损伤及累积耗能对钢板纵向刚度的影响，建立能考虑局部失稳影响的钢桥杆系结构滞回模型；提出反映刚度和承载能力下降程度的构件损伤指标；进行光滑缺口圆棒试样的轴向高应变循环加载试验、断口电镜扫描，研究钢桥中常用的Q345钢材及其焊接接头的超低周疲劳性能；通过应力三轴度、拉伸和压缩对疲劳损伤累积的影响规律研究，完善基于微观损伤机制的循环空穴扩张模型计算理论；根据钢桥墩两种典型失效模式的极限强度对比，研究控制结构破坏形式的结构条件。本项目通过理论分析和试验研究，主要实现建立钢桥考虑局部失稳影响的杆系结构计算理论和结构超低周疲劳破坏验算方法的目的。

随着我国钢材产量的增加以及劳动力成本和及环保要求的提高，钢结构桥墩将成为今后桥梁建设中不可避免的一种结构形式。但是，我国目前缺少钢桥墩抗震设计标准，对钢桥墩的地震破坏机理还缺乏认识，这种情况影响了钢结构桥墩的合理应用。本项目针对这一现状，结合国国外钢桥墩在地震中出现的主要震害形式，对考虑钢板局部失稳和塑性化影响的钢桥墩地震反应计算方法以及超低周疲劳损伤评估方法开展了试验研究和理论分析，取得了以下几方面的研究成果：.1）通过钢桥墩试件的拟静力试验，提出了考虑钢板局部失稳和塑性化影响的钢桥墩地震反应计算模型，解决了杆系结构不能很好模拟钢板局部失稳影响的问题；.2）提出修正的多弹簧剪切模型(MMSS)，开发了钢桥墩在水平2方向强地震作用下的简化计算滞回模型；.3）以我国钢桥中常用钢材(Q345)为对象，通过钢材试样的超低周疲劳试验研究，改进了在强地震作用下钢材断裂破坏计算理论和方法，并标定了在不同应力三轴度下钢材的抗断裂破坏性能；根据与钢桥墩拟静力试验结果对比，验证了本项目提出的超低周疲劳预测方法可以用于桥墩的地震损伤；.4）通过锈蚀钢材试样的超低周疲劳试验，研究了带蚀坑的钢材超低周疲劳破坏机理和性能，结果为在役钢桥墩的抗震性能评估提供依据；.5）基于arlequin方法在ABAQUS平台上开发了结构多尺度计算方法，应用多尺度算法研究了钢桥结构焊接接头的超低周疲劳性能和正交异性桥面板的高周疲劳性能；.6）提出了一种基于桥墩变形履历的超低周疲劳预测方法，为钢桥墩抗震设计的超低周疲劳验算提出了一种简便的方法。.本项目研究共发表22余篇期刊学术论文，论文被SCI或EI收录；获一项发明专利；参加国际会议三人次，参加国内会议数次；培养博士研究生3人（已经毕业的）和硕士研究生若干人。上述研究成果为建立考虑钢板局部失稳影响的钢桥墩抗震设计方法提供了参考，同时揭示了钢桥墩地震损伤机理。另外，在本项目研究基础上拓展的地震动模拟研究成果为申请国家基金立项奠定了基础（已经获批），以便今后深入开展地震动与钢桥墩地震损伤关系研究创造了条件。