钢箱梁纵横肋处疲劳裂纹精细化数值分析及加固方法研究

发布时间：2020-07-04 17:17

【摘要】：钢箱梁桥及正交异性钢桥面板(OSD)具有质量轻、强度高、适用性广等系列优势,被广泛应用在大跨度桥梁建设中。然而几何缺陷、焊缝众多、焊接残余应力、轮载作用等内外因的耦合作用下,导致OSD结构疲劳问题突出,特别是钢箱梁纵横肋处疲劳开裂最为严重,对于此处的疲劳性能评估,疲劳裂纹加固还待进一步研究。本文结合一现有钢箱梁桥,以纵横肋交接处两道裂纹作为研究对象,采用精细化数值模拟建模分析。本文进行主要工作如下:(1)回顾并总结了疲劳研究问题的发展,焊接残余应力模拟,以及疲劳裂纹加固的研究现状。(2)采用多尺度建模分析方法,得到了纵横肋处受力特性。分别采用名义应力法、热点应力法以及有效缺口应力法,对纵横肋交接处进行疲劳性能评估,对比分析了不同疲劳评估方法的特性。(3)利用热-弹塑性有限元模拟焊接过程,顺序耦合法得到焊接动态过程的温度场和残余应力场。结果表明焊缝上会存在很大的残余应力,纵向焊接残余应力甚至超过了材料屈服强度,弧形切口处峰值焊接残余应力达207MPa。简化模拟焊接残余应力在荷载往复作用下的耗散机制,得到了焊接残余应力在循环荷载作用下的变化特性,焊接残余应力松弛主要发生在第一个循环过程,且只有当焊接残余应力和外荷载叠加进入屈服状态,焊接残余应力才会发生重分布。(4)以横隔板弧形切口作为研究对象,结合该处的车载受力特性,引入焊接残余应力,得到了基于母材S-N曲线评估疲劳性能的方法,计算结果表明,该疲劳评估方法能够很好评估弧形切口处疲劳性能,为疲劳评估提供了一种新思路。(5)阐述了扩展有限元基本概念,从扩展有限元出发,引入初始三维裂纹,计算关注位置的应力强度因子,确定裂纹的扩展模式。由此分析等效应力强度因子,为疲劳裂纹是否扩展提供依据。得到了不同裂纹长度下的应力强度因子幅值,从而计算疲劳扩展寿命。(6)结合前面的研究结果,对纵横肋处疲劳裂纹提出了粘贴角钢和STC铺装加固两种加固方案,分别从受力情况,以及结合断裂力学进行评估,计算加固后的应力和等效应力强度因子幅值,判断裂纹的扩展状态,评价加固方案,计算表明粘贴角钢能够很好的改善U肋焊趾处的受力状态,最后推荐对此处疲劳裂纹采取粘贴角钢+STC铺装加固的方案。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U445.72;O346.1
【图文】：

总体布置图,主桥,桥塔,钢箱梁

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第 1 章绪论1.1 课题来源及研究的背景和意义1.1.1 课题来源本课题依托位于辽宁省铁岭新区的一座梭形独塔钢箱梁斜拉桥——凡河四桥，凡河四桥主桥结构跨径 140+110m，桥梁索塔两侧一侧采用单索面，另一侧为双索面，其中在靠近桥塔的位置采用的是混凝土箱梁结构，其余部分为钢箱梁结构。钢箱梁部分梁高 3m，箱梁全宽达 26.44m，采用的钢材是 Q345q。凡河四桥桥塔新颖，造型优美独特，其总体布置图见图 1-1。

现场照片,病害,桥面板

图 1-2 凡河四桥部分病害现场照片1.1.2 研究的背景与意义钢箱梁桥及 OSD 结构具有质量轻、强度高、适用性广等特点，一般的 OSD 结构指的是桥面板由纵横加劲肋加强的构造形式组成，其结构在两个垂直方向的刚度不同，相当于两个方向由不同弹性性质的板组成。其中纵肋布置密集，刚度较大，横肋布置稀疏，刚度较小。这种结构受力具有典型的正交异性[1]，桥面板既作为箱梁的顶部翼缘，又是桥梁承重构件，是大跨度钢桥桥面板的首选形式。我国在引入该结构之后，迅速应用起来，现今该类型桥梁已达 200 余座[2]。随着经济的发展，桥梁承受交通量迅速增长，车辆超载现象无法避免。而 OSD结构本身焊缝多，存在许多焊接缺陷，几何构造缺陷等。这些问题导致结构应力集中严重，传力途径不连续。因而 OSD 结构所面临的疲劳开裂问题也更加突出。下图1-3 展示了部分 OSD 结构的疲劳开裂现场图。

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