正交异性钢桥面板典型疲劳病害评估与预测

发布时间：2020-07-18 10:58

【摘要】：疲劳开裂是钢桥的典型病害,疲劳评估是钢桥研究的热点问题。近年来,中国既有钢桥梁检测发现大量疲劳裂纹且随运营呈扩展趋势,在桥梁日常检查与评估工作中,如何评估和预测桥梁疲劳病害突显必要。本文基于传统疲劳评估理论,结合各国规范、焊接学会及船级社设计指南,在归纳总结疲劳车辆模型、典型钢结构病害细节的基础上,以南京长江三桥疲劳病害检查结果为背景,建立精细化有限元模型开展疲劳影响参数分析,得到了适用于正交异性钢桥面板研究的应力影响面模型。应用应力影响面模型开展南京长江三桥的疲劳评估,评估结果与疲劳病害发生部位吻合。研究成果可用于既有钢桥正交异性钢桥面板疲劳预测。本文主要就以下几点进行了讨论研究:(1)参考中、美、欧等国设计规范与工程指南,基于传统疲劳理论,论述了名义应力法与热点应力法的评估流程与适用范围;归纳总结了常用钢桥疲劳荷载车辆模型。(2)根据工程中发现的疲劳裂纹,归纳总结了钢桥最常见的8种疲劳病害细节,分析了构造细节的受力特点和破坏原因。(3)根据南京长江三桥疲劳病害检查结果,通过分析正交异性钢桥面板7类典型疲劳裂纹的开裂程度发现:疲劳裂纹集中发生于顶板与纵肋焊缝细节、纵肋与横隔板焊缝细节及横隔板过焊孔细节,疲劳裂纹具有明显的空间分布特征,与车辆横向分布及车辆荷载有直接的关系。(4)运用通用有限元软件ANSYS建立精细化有限元模型,采用热点应力法进行参数分析,研究考虑了铺装扩散效应、车轮尺寸效应、轮载纵向应力叠加和轮迹横向概率分布,研究结果表明:车辆空间分布模型对疲劳效应有直接的影响。(5)针对南京长江三桥开裂的顶板与纵肋焊缝、纵肋与横隔板焊缝及横隔板过焊孔部位的几种典型疲劳病害展开分析,基于疲劳细节应力影响面模型,讨论了纵向轮载应力叠加作用和横向轮迹概率分布作用;研究了车载影响面模型的适用范围以及疲劳细节对各影响因素的敏感性。评估结果表明:中国常见重车的联轴及多轴车引起的等效应力幅受纵向应力叠加效应影响显著,规范中简化的疲劳荷载模型适用范围有限。车辆轮迹分布对各疲劳细节疲劳效应影响趋势一致,可在影响线模型基础上引入车辆分布折减系数简化等效应力计算。
【学位授予单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U445.71
【图文】：

圣水,韩国

米的悬索桥——江阴长江大桥建成。进入 21 世纪，钢桥建设已涵盖跨海工程，已通车的港珠澳跨海大桥规模近 30km。不到百年时间中国钢桥设计理论与技术已迅速赶超西方国家，未来 30 年，随着中国基础设施建设的发展，钢结构桥梁将成为未来桥梁的主流桥型。然而，传统的设计理论关注点多局限于结构安全，对桥梁在使用周期内的管理养护、维修加固、构件更换等问题涉及较少。设计与建设时期存在重视初期投资成本忽略全寿命周期总成本问题，其结果将导致全寿命成本的增加，甚至危及基础设施使用者人身安全。美国土木工程学会的调查指出，80％至 90％的钢结构损坏与疲劳有关[1,2]。世界各国桥因的疲劳问题引发了多起桥梁灾难，如：1994 年韩国首尔圣水河大桥钢桁杆疲劳断裂，如图 1- 1 所示，造成 32 死 17 重伤的重大事故；2001 年中国宜宾金沙江桥吊杆腐蚀疲劳断裂，桥面断落造成 2 人死亡；2007 年美国密西西比跨河桥桁拱疲劳坍塌，如图图1- 2 所示，造成巨大经济损失。诸如此类灾害不胜枚举，设计过程中满足强度验证的桥梁在长期复杂环境中仍会出现安全问题，究其原因在于设计理论的理想化与施工工艺、运营环境和荷载情况差别巨大。材料强度理论假设与实际不符，对钢材料内在缺陷和病害引发机理的研究不够深入，是造成灾难的直接原因[3-7]。

结构设计规范,跨河桥,钢桥,密西西比

图 1- 2 美国密西西比跨河桥倒塌前后中国建造的大量现代钢桥是按照《公路桥涵钢结构和木结构设计规范》（JTJ025-86）设计的。该规范未危及疲劳问题，因此当时钢桥的抗疲劳设计多参考美国 AASHTO 规范和欧洲 Eurocode 规范进行。直到 2015 年颁布的《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2015），才出现了基于中国交通状况和钢结构研究的疲劳规则。随公路交通量、车重和车速大幅提高，按旧规范设计的桥梁使用状况不容乐观。21 世纪初期建设的大量钢桥仍处于青壮年运营阶段，但在近年常规检查时发现大量疲劳病害，某些桥梁正交形钢桥面板的疲劳裂纹达数千个。国内外研究表明，正交钢桥面板对局部效应非常敏感，桥梁的安全性降低，并且增加了由疲劳引起的灾害的可能性。因此，针对我国公路钢桥典型疲劳病害的分析及剩余寿命的评估势在必行，现有桥梁如何维修加固，未来桥梁如何设计建设需要大量分析和实验综合确定。准确的预估病害发生部位并结合计算机技术提出合理的维护方案是亟待解决的问题，也是重点关注的研究方向。1.2 公路钢桥疲劳问题研究历史与现状国际标准化组织对疲劳的定义是：金属材料在应力或应变反复作用下发生的性能变

研究思路,章节,钢桥

能够简单的在既有桥梁疲劳裂纹剩余寿命评估中运用。综上所述，基于 S-N 曲线的传统的疲劳评估方法适用于钢桥抗疲劳设计，既有桥劳病害预测；基于损伤力学的评估方法适用于钢桥高周疲劳精确评估；基于断裂力评估方法适用于已有疲劳裂纹钢桥结构剩余寿命评估。.4 本文研究内容中国钢结构发展迅猛，21 世纪初中国兴建了大量大跨钢桥，未来基础设施建设也钢结构为主流。中国钢桥建设充分考虑了适用性与经济性，但仅十余年运营却发现大量病害，其劳病害尤为突出。钢材料疲劳萌生发展在微观尺度，常规检查难以发现，定期检查发现的疲劳裂缝已扩展到一定程度，损伤亟待修复。因此，需针对钢桥疲劳机理及疲劳病害预测展开研究，以避免经济损失和重大事故发生。截至目前，中国尚未发行钢桥疲劳预测、检查与管养相关指南。因此本文基于经劳理论结合各国规范进行疲劳分析，提出适用于疲劳分析与预测使用的应力影响面，并通过实际疲劳检查结果提出疲劳预测简化参数。最后，调查北京市交通环境并新建钢桥正交异性钢桥面板进行疲劳预测，向管养部门提出疲劳检查建议。

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