基于断裂力学的锚拉板疲劳寿命评估摘要：为研究斜拉桥锚拉板结构的疲劳性能，以一座叠合梁斜拉桥为例，采用最新钢桥规范的疲劳荷载模型加载并按雨流法处理计算了疲劳荷载谱，结合空间实体有限元模型，识别了锚拉板的典型构造细节并获得疲劳应力谱；在典型构造细节处引入初始表面裂纹，计算了裂纹尖端的应力强度因子，回归分析得到应力强度因子与裂纹尺寸的关系式，代入Paris公式积分得到了各典型构造细节的疲劳寿命，从而建立了基于断裂力学的锚拉板疲劳寿命分析方法.研究结果表明：基于断裂力学方法得到的锚拉板疲劳寿命超过了100年，满足设计及使用要求；裂纹初期扩展很慢，当尺寸达到10mm时，已消耗了60%～80%的疲劳寿命，应及时加以补强.关键词：断裂力学；锚拉板；疲劳寿命；应力强度因子；Paris公式：U441.4文献标识码：A钢斜拉桥结构中，索梁锚固构造是关键受力部位，其种类很多，而锚拉板[1]具有构造简单、安装方便、传力明确等突出优点，近年来得到广泛应用.但由于焊缝多、应力集中，疲劳问题突出，因此合理评估其疲劳寿命具有重要意义[2].目前，钢结构的疲劳寿命评估主要是基于SN曲线和Miner线性累积损伤理论[3]，即对特定的构造细节选取相应类别的SN曲线进行分析.该方法应用广泛，但也存在不足：复杂构造细节无合适的SN曲线对应；实际工程中大部分构件处于带裂纹工作状态，无法采用SN曲线进行分析.对于裂纹如何扩展、结构剩余寿命多少，需要借助断裂力学进行分析[4].目前不少学者正致力于研究断裂力学理论在钢桥疲劳寿命分析中的应用.王元清等[5-6]完成了多个不同试件的紧凑拉伸试验，得到了基于Paris公式的疲劳裂纹扩展性能参数，通过对比有限元结果与试验结果，验证了数值方法分析复合型疲劳裂纹扩展的可靠性.彭鲲等[7]用断裂力学方法研究波形钢腹板组合箱梁的疲劳寿命计算模式，推导了结构的SN曲线.王春生等[8]用断裂力学方法对老龄铆接钢桥剩余寿命和使用安全进行了评估.童乐为等[9]利用断裂力学方法预测了圆钢管混凝土T型焊接节点的疲劳寿命，研究表明断裂力学可较好地预测该结构的疲劳寿命.上述研究推动了断裂力学理论在实际工程中的应用，但是在锚拉板疲劳寿命分析方面的研究还比较少，如何用断裂力学理论对锚拉板疲劳寿命进行合理评估还需要深入研究.本文结合一座叠合梁斜拉桥，建立了全桥三维有限元模型，选用最新钢桥规范中疲劳荷载模型并用雨流计数法处理得到了索力荷载谱；结合锚拉板结构的三维实体有限元分析模型，得到典型构造细节的疲劳应力谱；引入半椭圆形初始表面裂纹，按经典公式得到裂纹尖端的应力强度因子，回归分析得到应力强度因子与裂纹尺寸之间的关系式，再对Paris公式积分，从而获得锚拉板结构的疲劳寿命.1工程概况乌江特大桥是贵州省内的大跨混合体系叠合梁斜拉桥，双塔双索面、半漂浮体系，跨径布置为54m+71m+360m+71m+54m，全长610m.设计行车速度80km/h，双向六车道，设计荷载为公路I级.索梁锚固结构为锚拉板式，如图1所示.桥宽28m，边跨为混凝土“π”形主梁，中跨为“上”字形钢主梁结合桥面板的整体断面（图2）；单个主塔布置28对斜拉索，设计索力由2333.4kN变化到5184.5kN.锚拉板式索梁锚固结构由锚拉板、加劲板、锚筒、锚垫板和装饰圆板等构成.在锚拉板中部开槽，锚筒通过双面单V形焊缝（焊缝1）与两侧槽口相连；斜拉索穿过锚筒锚固在锚垫板上；在两侧焊接加劲板以补偿开槽对锚拉板的削弱，并增强横向刚度和整体性；锚拉板通过双面V形焊缝（焊缝2）与主梁腹板连接.索力通过焊缝1以剪力形式传递至锚拉板，再由焊缝2传递至钢主梁.焊缝2承受竖向、纵向拉应力和剪应力的共同作用，应力状态复杂.锚拉板由工厂整体加工，在施工现场通过焊缝2与钢主梁相连.锚拉板受力复杂，在移动荷载作用下疲劳问题尤为突出，而且对其中部分构造细节的疲劳性能缺乏深入研究.因此本文拟利用断裂力学理论对其疲劳性能进行合理评估，具体的分析步骤如图3所示.2疲劳荷载计算采用桥梁软件Midas建立全桥三维杆系有限元分析模型，斜拉索用空间桁架单元模拟，塔和钢主梁用空间梁单元模拟，塔、墩底约束采用一般支撑约束模拟.全桥共有节点689个；单元570个，其中桁架...