钢桥在服役过程中承受交变载荷的作用,易导致疲劳失效。此外,由于工程实际的需求,钢桥难免会出现应力集中部位(如孔洞、沟槽等),降低钢桥疲劳强度。孔洞、沟槽等缺口的存在使根部区域所受的应力由单向应力变为两向或三向应力,即多轴应力效应;同时,缺口的存在使结构局部得到强化,影响塑性材料的循环硬化能力、抗滑移能力、位错的密度和运动能力,诱导严重的非比例附加强化效应。由于载荷形式和缺口特征的复杂性和多样性,对于加载路径、材料特性和缺口效应对钢桥疲劳寿命的影响还没有一个完整的、定性的描述,而最为关键的问题是如何提出适用于多轴加载下精确的材料本构关系,如何准确表征材料损伤演化过程,提高复杂工况下钢桥疲劳寿命预估的精度,这个问题已成为制约多轴载荷下钢桥疲劳损伤评估的“瓶颈”。因此,揭示钢桥在复杂应力(多轴应力)作用下的疲劳损伤累积过程,进而预估钢桥剩余寿命,提高抗疲劳设计水平,为钢桥疲劳损伤评估和健康监测提供理论依据,具有实际工程意义。本文将钢桥整体疲劳问题归结为危险点处细节疲劳问题,结合钢桥用Q345B钢单轴(多轴)疲劳试验,借助数值模拟、理论分析和试验验证,基于钢桥整体结构分析—标准试样细节疲劳研究—钢桥整体疲劳分析的思路,研究复杂应力(多轴应力)下钢桥疲劳损伤演化过程及寿命预估。具体的研究内容为:(1)以兰州市附近某钢结构高架桥为例,分析钢桥空载和极限条件下的力学状态,借助钢桥整体结构分析,判断最危险位置,将钢桥的整体疲劳问题转化为最危险点处的细节疲劳问题。(2)借助Q345B钢单轴和多轴疲劳试验,分析应变幅对单轴疲劳寿命的影响,研究多轴载荷下相位差、缺口几何参数和载荷幅值对多轴疲劳寿命的影响;利用电子扫描电镜(SEM)研究疲劳断口宏微观形貌特征,分析裂纹萌生的原因,揭示钢桥疲劳损伤演化机理。(3)利用ANSYS载荷步实现多轴比例(非比例)循环加载,分析包辛格效应对各应力应变分量的影响。基于能量法和坐标变换原理,以应变能密度为疲劳损伤参量,发展一种确定多轴加载条件下临界面位置的数值计算方法,弥补能量法没有考虑裂纹萌生和扩展微观机制的不足,定义的疲劳损伤参量具有更加明确的物理意义。(4)分析非比例加载过程中各应力应变分量对材料是否造成损伤及其损伤贡献程度,研究相位差和材料滑移特性对非比例附加强化的影响,提出一个考虑相位差及材料循环疲劳特性的非比例附加强化因子,使本文提出疲劳损伤演化方程和寿命预估模型能够适用于非比例加载情况。(5)分析材料劣化机理及疲劳试样受力后的力学状态,考虑裂纹面(临界面)上法向应力和剪应力对裂纹萌生和扩展的贡献,基于损伤力学和临界面法提出一种虑及非比例附加强化效应和平均应变的多轴疲劳寿命预估模型,从材料疲劳损伤演化的角度来预估多轴疲劳寿命,借助多轴疲劳试验验证理论方法及预估模型的正确性和可靠性。(6)基于某高速收费站统计数据,编制通过高架桥的车辆载荷谱,利用本文提出的多轴非线性疲劳损伤演化方程评估钢桥在设计服役期内的理论疲劳损伤程度,并与Miner线性损伤累积理论得到的结果进行对比,分析两种方法得到的理论损伤值,为钢桥的疲劳损伤评价和健康监测提供参考。