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第1章 绪论1

1.1 历史与发展1

1.1.1 近代钢桁梁桥的发展及成就1

1.1.2 现代钢桁梁桥的发展及成就2

1.1.3 新一代钢桁梁桥的发展特点与趋势4

1.1.4 我国钢桁梁桥建设的历史与成就5

1.2 桁梁桥体系分析7

1.2.1 简支桁梁桥7

1.2.2 连续桁梁桥10

1.2.3 悬臂桁梁桥12

1.3 桁梁桥的钢材与连接12

1.3.1 钢材12

1.3.2 钢桁梁桥的连接16

1.3.3 钢桁梁的节点18

1.4 钢桁梁桥事故与反思24

1.4.1 失败中的教训24

1.4.2 对研究的促进28

1.5 桁梁桥评定的理论体系32

1.5.1 桁梁桥评定的基本思想32

1.5.2 桁梁桥评定框图35

参考文献36

第2章 桁梁受力性能及状态模拟37

2.1 概述37

2.2 桁梁空间有限元分析37

2.2.1 有限元列式37

2.2.2 Ⅰ阶弹性单元39

2.2.3 Ⅱ阶弹性有限元44

2.2.4 自振特性分析51

2.2.5 桁梁有限元模型的建立方法53

2.3 桁梁节点模拟64

2.3.1 接触模拟64

2.3.2 递进单元阶次处理71

2.3.3 节点开裂的桁梁受力性能72

2.3.4 小结74

2.4 杆件锈蚀和补强的模拟75

2.4.1 钢结构的腐蚀75

2.4.2 桁杆截面锈损和补强的模拟方法82

2.5 桁梁桥有限元模型修正89

2.5.1 主要误差来源分析89

2.5.2 两阶段模型修正方法93

参考文献97

第3章 评定荷载及作用效应98

3.1 概述98

3.2 交通荷载数据的获取及统计99

3.2.1 公路交通观测与调查100

3.2.2 多源交通荷载数据获取与处理101

3.2.3 WIM系统公路交通荷载数据采集及统计分析103

3.2.4 BWIM技术及其在桁梁桥上的应用113

3.2.5 铁路荷载数据获取及统计122

3.3 车流模拟及加载125

3.3.1 Monte-Carlo方法125

3.3.2 车流模拟129

3.3.3 车流加载和应力历程计算132

3.4 极限承载能力评定荷载133

3.4.1 我国桥梁设计荷载的演变133

3.4.2 极限荷载效应外推理论140

3.4.3 桁梁桥极限承载力评定荷载模型147

3.5 疲劳评定荷载150

3.5.1 公路桥梁疲劳评定荷载150

3.5.2 铁路桥梁疲劳评定荷载165

3.5.3 疲劳荷载模型的评价179

3.6 车辆活载极值作用效应182

3.6.1 方法综述182

3.6.2 影响面生成方法183

3.6.3 规范车辆荷载的数字模型185

3.6.4 影响线加载原理186

3.6.5 影响线加载改进算法187

3.6.6 影响面加载原理189

3.7 疲劳应力谱194

3.7.1 雨流法计数194

3.7.2 应力监测与实测应力谱196

3.7.3 应方谱计算的修正算法204

参考文献205

第4章 强度安全评定207

4.1 概述207

4.2 钢材材料强度及其影响因素207

4.2.1 强度与塑性207

4.2.2 板厚、温度及应变率对屈服极限的影响209

4.3 强度理论213

4.3.1 Tresca屈服准则214

4.3.2 Von Mises屈服准则215

4.4 杆件截面应力及强度评定216

4.4.1 受拉杆件216

4.4.2 受扭构件222

4.4.3 受弯构件237

4.4.4 杆件组合受力247

4.5 栓铆连接及评定250

4.5.1 栓铆分类及验算要求251

4.5.2 铆钉和普通螺栓连接252

4.5.3 高强螺栓256

4.5.4 栓接连接板260

4.5.5 连接面上的内力在螺栓群中的分配262

4.5.6 桁梁桥中各种接头的受力分析276

参考文献289

第5章 稳定安全评定290

5.1 概述290

5.2 中心压杆屈曲290

5.2.1 理想中心压杆屈曲290

5.2.2 初挠曲对杆件屈曲的影响294

5.2.3 残余应力对杆件屈曲的影响295

5.2.4 杆件弯扭屈曲299

5.2.5 实际中心压杆屈曲安全验算303

5.2.6 组合压杆的屈曲306

5.3 压弯杆件屈曲310

5.3.1 实腹压弯杆件弯曲屈曲311

5.3.2 压弯开口薄壁杆件的弯扭屈曲316

5.3.3 压弯杆件双向弯曲屈曲319

5.3.4 组合杆件的压弯稳定320

5.4 桁梁桥中板件翘曲322

5.4.1 平板弹性翘曲322

5.4.2 平板弹塑性翘曲325

5.4.3 平板受压翘曲后性能327

5.4.4 翘曲有效板宽330

5.4.5 压杆中板件宽厚比的限值336

5.4.6 节点板的稳定341

5.5 桁梁杆件的计算长度342

5.5.1 受压弦杆343

5.5.2 三角形桁梁腹杆344

5.5.3 K式桁梁腹杆345

5.5.4 复式桁梁中的交叉腹杆345

5.5.5 敞开式桁梁上弦杆348

5.5.6 门架的稳定问题349

5.6 桁梁桥整体稳定353

5.6.1 应用Ⅱ阶理论分析整体稳定性353

5.6.2 大位移几何非线性整体稳定性分析355

5.6.3 大位移和弹塑性整体稳定分析356

5.6.4 桁梁桥整体稳定安全评定356

参考文献356

第6章 断裂安全评定357

6.1 概述357

6.2 断裂力学基本原理及断裂判据358

6.2.1 线弹性断裂判据358

6.2.2 小范围屈服的Irwin修正360

6.2.3 弹塑性断裂判据360

6.2.4 失效评定图363

6.3 应力强度因子与J积分的有限元计算方法367

6.3.1 固体小变形问题的基本方程367

6.3.2 弹塑性本构关系368

6.3.3 弹塑性有限元方法370

6.3.4 应力强度因子与J积分的计算379

6.4 钢材断裂韧性385

6.4.1 钢材断裂机理385

6.4.2 延脆转变区钢材韧性试验和分析388

6.4.3 缺口冲击韧性及其与断裂力学韧性之间的关系390

6.4.4 影响钢材韧性的重要因素394

6.4.5 老钢材材料性能402

6.5 主桁杆件断裂安全评定411

6.5.1 断裂力学简化分析412

6.5.2 温度过渡区脆断安全评定424

参考文献428

第7章 使用寿命与剩余使用寿命预测429

7.1 概述429

7.1.1 疲劳现象和疲劳寿命429

7.1.2 现有研究疲劳问题的方法431

7.1.3 影响疲劳寿命的主要因素434

7.2 基于S-N曲线的使用寿命评估方法440

7.2.1 结构疲劳强度曲线441

7.2.2 线性损伤累积准则449

7.2.3 传统疲劳分析中的安全验算449

7.2.4 基于S-N曲线的疲劳寿命计算方法451

7.3 基于断裂力学的剩余寿命评估方法453

7.3.1 裂纹扩展机理及描述公式453

7.3.2 影响裂纹扩展的因素460

7.3.3 剩余寿命计算474

7.4 考虑序列效应的裂纹扩展模拟477

7.4.1 模拟序列效应的各种计算模型478

7.4.2 裂纹扩展的数值模拟技术482

7.5 铆钉与高强螺栓预紧力对孔边裂纹扩展的影响492

7.5.1 栓铆预紧力及抗疲劳性能492

7.5.2 预紧力作用下孔边裂纹驱动力分析495

7.5.3 栓孔边裂纹扩展寿命497

参考文献498

第8章 桁梁桥持续使用对策500

8.1 概述500

8.2 断裂临界杆件及细节502

8.2.1 断裂临界杆件识别方法502

8.2.2 疲劳调查优先级504

8.3 钢桥裂纹的无损检测及尺寸确定505

8.3.1 钢桥常用无损检测方法505

8.3.2 无损检测可靠性及POD曲线510

8.3.3 真实裂纹尺寸模糊分布518

8.3.4 裂纹尺寸确定519

8.4 疲劳剩余安全度520

8.4.1 几种可靠度计算方法简介520

8.4.2 基于传统疲劳理论的可靠度分析524

8.4.3 基于线弹性断裂力学理论的可靠度评估528

8.5 疲劳安全控制537

8.5.1 疲劳目标可靠度539

8.5.2 裂纹检出概率540

8.5.3 疲劳安全控制543

8.6 加固543

8.6.1 改变结构受力图式的加固方法544

8.6.2 加强薄弱构件547

8.6.3 减轻恒载561

参考文献563

第9章 百岁老桥剩余寿命与使用安全研究566

9.1 概述566

9.1.1 结构检测与维修历史567

9.1.2 主要存在的问题568

9.1.3 研究目标和内容568

9.1.4 研究技术路线569

9.2 病害检测569

9.2.1 锈蚀检测570

9.2.2 铆钉检测573

9.2.3 变形检测574

9.2.4 铆钉孔探伤576

9.2.5 焊缝探伤577

9.2.6 小结580

9.3 试验研究581

9.3.1 材料试验581

9.3.2 实桥荷载试验586

9.4 结构有限元模型及疲劳荷载模型590

9.4.1 结构有限元模型590

9.4.2 交通荷载模型591

9.5 构件损伤程度评估600

9.5.1 病害统计及其损伤程度评估600

9.5.2 疲劳损伤评估607

9.6 强度与稳定安全评定609

9.6.1 加固改造方案609

9.6.2 内力与应力计算609

9.6.3 强度验算613

9.6.4 杆件稳定验算614

9.6.5 节点板撕裂验算615

9.6.6 杆件端部铆钉连接验算616

9.6.7 小结617

9.7 剩余使用寿命与检测间隔618

9.7.1 应力历程与应力谱618

9.7.2 疲劳寿命618

9.7.3 检测间隔618

9.8 结论与建议621

9.8.1 评定结论621

9.8.2 加固与养护建议622

第10章 大跨栓焊钢桁梁桥评定、加固和再评定研究624

10.1 概述624

10.2 主要病害及其成因626

10.2.1 油漆退化与钢板锈蚀626

10.2.2 疲劳裂纹626

10.2.3 螺栓松动与缺失627

10.2.4 永久变形628

10.3 荷载试验与模型修正628

10.3.1 实桥荷载试验628

10.3.2 有限元建模与模型修正630

10.4 加固前结构强度与寿命评估632

10.4.1 结构强度验算632

10.4.2 交通荷载与应力谱633

10.4.3 寿命评估与检测间隔636

10.5 维修加固方案及关键部位构造研究638

10.5.1 加固方案638

10.5.2 钢桥面板合理构造642

10.6 车辆荷载谱与轴载谱645

10.6.1 车辆荷载信息反算结果646

10.6.2 车轴荷载信息反算结果648

10.7 加固后结构性能648

10.7.1 主桁加固效果试验评估649

10.7.2 结构承载能力与疲劳寿命再评估650

10.8 结论662

第11章 铁路桁梁桥疲劳寿命与安全评定研究663

11.1 概述663

11.1.1 研究背景663

11.1.2 赣江大桥概况663

11.1.3 研究方法与内容664

11.2 实桥工作状态模拟665

11.2.1 有限元模型的建立665

11.2.2 恒载应力666

11.2.3 计算与实测对比分析666

11.2.4 小结673

11.3 应力谱模拟与寿命评估673

11.3.1 应力谱计算673

11.3.2 疲劳分析方法679

11.3.3 累积损伤与剩余寿命680

11.3.4 小结682

11.4 H4节点受力分析682

11.4.1 概况682

11.4.2 节点板撕裂强度验算684

11.4.3 节点板实体有限元模型建立及修正687

11.4.4 D型车加载分析与比较689

11.4.5 小结695

11.5 剩余寿命与检测间隔696

11.5.1 裂纹检测696

11.5.2 识别临界构件697

11.5.3 断裂力学模型699

11.5.4 剩余寿命与检测间隔699

11.6 结论与建议702