桅杆结构是一种主要承受风荷载的高耸结构,由一根直立的细长杆身和3～4个方向沿高度斜向张拉的数层纤绳组成,近年来被广泛应用于无线电通讯、广播电视、海空导航、环境保护、能源开发等国民经济的重要领域。由于其复杂的工作机理尚未被人们完全认识和掌握,桅杆结构发生破坏事故的比例在土木工程界首屈一指。大量桅杆事故研究报告表明:倒塌破坏事故多数是由于疲劳损伤后引起结构失稳或结构构件应力超过极限强度而引起的。因此有必要进行桅杆结构的疲劳损伤分析及疲劳寿命预测,为桅杆结构疲劳剩余寿命评估以及疲劳损伤监测新方法的提出提供重要依据。以裂纹萌生寿命控制结构的疲劳是对结构疲劳断裂认识不足的结果,疲劳总寿命包括裂纹萌生和裂纹扩展两部分,完整的疲劳分析既要研究裂纹的起始萌生,也要研究裂纹的扩展。本论文首先采用多轴疲劳理论估算拉耳孔边裂纹萌生寿命。采用基于FFT算法改进的谐波叠加法模拟了桅杆结构沿杆身高度分布的15条脉动风速时程并进行了相关函数与功率谱检验,通过风速风压关系转换得到与自然风基本特性一致的模拟风荷载。建立桅杆结构非线性动力计算模型,在时域内分析桅杆结构模拟风荷载作用下的非线性动力响应,获得桅杆结构纤绳应力响应时程。由于桅杆结构的对称性仅计算了0°、30°、60°风向桅杆结构的风振响应,其余方向风振响应根据对称性得到;借助有限元软件计算确定桅杆结构局部拉耳模型疲劳危险点及其应力应变状态,对危险点应力应变状态进行坐标旋转,按一定间隔变化旋转角度搜索最大损伤参量所对应的临界损伤面位置;采用双重雨流计数法提取临界损伤面上的正、剪应变循环并基于von Mises准则合成统一的多轴疲劳损伤参量,然后依据Mason-coffin公式及Miner疲劳累积损伤准则估算桅杆结构纤绳连接拉耳各不同风向不同平均风速作用下的多轴疲劳累积损伤,由总损伤计算出裂纹萌生寿命。本文重点采用断裂力学方法研究桅杆拉耳这个局部构造复杂结构在初始疲劳裂纹下的扩展。桅杆结构纤绳连接拉耳裂纹的扩展寿命研究主要解决两个问题:裂纹前缘应力强度因子计算与孔边裂纹扩展分析。本文采用有限元法计算三维表面裂纹前缘应力强度因子。首先借助ANSYS高级网格划分技巧解决了复杂结构裂纹体有限元建模难题;利用布尔运算、高级网格划分技巧等手段采用实体建模法创建三维裂纹体模型。基于裂纹实体建模,采用有限元法分别计算了含中心表面裂纹及孔边角裂纹平板前缘应力强度因子,并与含中心表面裂纹及孔边角裂纹平板结构的Newman&Raju应力强度因子经验公式的计算结果进行对比验证了有限元实体建模及应力强度因子求解过程的可靠性。采用前述有限元法计算桅杆结构拉耳各种给定形状、尺寸孔边裂纹裂纹前缘Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型应力强度因子,将全部应力强度因子转化为便于计算的无因次应力强度因子并采用最小二乘法进行多项式拟合,为确保应力强度因子变化趋势以拟合曲线函数值代替离散无因次应力强度因子采用多参数拉格朗日插值法插值计算任意形状孔边裂纹无因次应力强度因子,由无因次应力强度因子计算任意形状孔边裂纹应力强度因子;并就某一形状裂纹的插值计算结果与有限元分析结果进行对比:插值结果与有限元求解非常接近,因此采用数值插值计算近似代替全三维有限元分析简化应力强度因子求解过程。在上述插值求解应力强度因子的基础上考虑混合裂纹扩展模式及裂纹闭合效应,以桅杆结构下层纤绳连接拉耳孔边裂纹为例采用Paris裂纹扩展速率公式研究了孔边裂纹的扩展形状变化特性;考虑孔边裂纹扩展形状变化特性采用逐循环直接积分法分别预测了桅杆结构上、下层纤绳连接拉耳不同初始条件孔边裂纹的扩展寿命。