钢箱梁纵肋横隔板连接处裂纹疲劳机理及优化设计研究

发布时间：2020-07-24 05:29

【摘要】：正交异性钢桥面板(以下简称OSD结构)具有可模块化预制、加快施工速度、提高使用寿命和减轻桥梁上部结构自重等众多优点,一经提出即受到各国研究人员和工程师的广泛关注和应用。但随着OSD结构投入使用,其疲劳问题也被暴露,其中主要原因包括:局部荷载问题突出;影响线短,疲劳荷载重复作用;构造复杂,易产生应力集中;焊接连接处会产生焊接残余应力。国内外学者进行了多年研究,并取得大量研究成果,但疲劳问题并没有得到彻底解决,因此对此问题进行更深一步研究。论文以一座现有的桥梁为原型,在此基础上对纵肋与横隔板连接处(Rib-Floorbeam,以下简称FB)的疲劳控制应力和应力组成进行分析,拟定构造优化的相应思路。从OSD结构的构造出发,对其设计参数和构造细节进行调整优化,以达到降低疲劳应力、提高疲劳寿命的预期,主要研究工作如下:(1)建立整体有限元模型和子模型,比较不同建模情况下有限元计算结果,选取分析较为快捷且对计算结果影响不大的建模方式。比较模型计算结果中的应力集中位置与统计中易发生疲劳破坏的位置,选取研究工作关注位置分别为U肋上A点和横隔板上B点。通过移动荷载工况分析横隔板和纵肋中的应力组成,发现横隔板上应力以面内应力为主,纵肋上应力以面外应力为主。绘制A、B两点的应力影响面,提取这两点的控制应力及主应力方向,发现这两点的影响面范围较小,受疲劳荷载影响严重,且主应力方向与疲劳裂纹方向相垂直。提取B点附近弧形开口处的主应力,发现弧形开口处曲线半径较小的区域,应力集中问题严重。(2)依据各国规范建议并参考实际桥梁采用的弧形开口形式,建立具有不同开口形式的OSD结构有限元模型,以A、B两点的控制应力为指标进行比较分析。发现提高弧形开口的半径可以改善B点的疲劳性能,提出新型的开口形式,并验证了该形式对于改善A、B两点处的疲劳性能有良好效果。(3)结合钢桥中横隔板的设计方法,计算得到依据刚度设计的横隔板厚度,远小于实际桥梁所采用的横隔板厚度。对具有不同横隔板厚度的OSD结构进行有限元分析,发现增加横隔板厚度可以有效降低A、B两点的控制应力,降低横隔板厚度可以降低B点的面外应力。提出变厚度横隔板的思路,提高横隔板上部厚度,保持横隔板下部厚度不变,计算证明该方法对于改善B点的疲劳性能有良好效果。(4)参考美国规范的纵肋内隔板设置方法,在已有模型基础上设置内隔板,发现内隔板对于降低A点的控制应力有较好效果。提出设置双内隔板的新式构造的想法,经验证该构造对于改善A点疲劳性能有良好效果。
【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】：U441.4
【图文】：

欧洲,桥梁

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文济优势。在迫切的需求下，德国开始迅速发展 OSD 桥，建设了穿过莱茵河的Keulen-Mulheim 桥。此后，OSD 桥得到了世界桥梁设计师的信赖，在全世界推广使用。欧洲在 OSD 结构的发展和使用上具有悠久的历史。在 1966 年，英国建成了跨越塞文河的 Severn 桥，当时的设计还是以减轻上部结构为指标，这座桥也是最早发现出现疲劳裂纹的桥，同时引起了全世界学者的广泛研究。在 1998 年，丹麦开通了大贝尔特桥，该桥采用悬索体系，上部结构采用箱梁，主跨达到 1624m，在当时是世界上第二大悬索桥（仅次于同年四月份建成的日本明石海峡大桥）。

桥梁,日本

开通了大贝尔特桥，该桥采用悬索体系，上部结构采用箱梁，主跨达到 1624m，在当时是世界上第二大悬索桥（仅次于同年四月份建成的日本明石海峡大桥）。a）塞文桥 b）大贝尔特桥图 1-5 欧洲 OSD 桥梁日本对于桥梁的需求很大，也较早的引入了 OSD 结构。从 1954 年开始日本政府修建了中里跨线桥，此后更是认识到 OSD 结构对于岛国交通的重要性。并于1972 年由日本导论管理局出版了第一份设计指南。这种构造在 1999 年建成的日本来岛大桥、明石海峡大桥和多多罗大桥中都得到应用。

桥梁,美国,港珠澳大桥

a）奥克兰大桥 b）金门大桥图 1-7 美国 OSD 桥梁中国于 20 世纪 60~70 年代在成昆铁路线中首次引进 OSD 结构，OSD 在我国虽然起步较晚，但由于其优越的性能，发展迅速，现在已经作为钢桥的首选桥面结构，在我国得到广泛应用，著名的 OSD 桥有苏通大桥、南京大胜关长江大桥、虎门大桥以及在 2018 年开通运营的港珠澳大桥。a）苏通大桥 b）港珠澳大桥图 1-8 中国 OSD 桥梁

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