基于裂纹特征向量的正交异性板疲劳损伤安全评定方法研究
发布时间：2020-12-11 07:44
钢箱梁正交异性桥面板凭借其强度高、自重轻、整体性强等优点,在桥梁工程中得到广泛应用。其各个构件之间一般采用焊接连接的形式,焊接过程中产生的残余应力和各种焊接缺陷均是影响其正常使用的不利因素,这些因素导致的钢箱梁疲劳开裂问题成为阻碍其发展的主要原因之一。本文利用正交异性钢桥面板疲劳裂纹的巡检结果,构建了疲劳裂纹特征向量数据集;结合多尺度有限元模型分析各类裂纹对局部构件的损伤,根据耦合疲劳裂纹的有限元模型计算结果,总结了各类裂纹产生原因。基于模糊统计法研究疲劳裂纹特征向量与典型构件损伤劣化程度之间的模糊关系,提出了钢箱梁正交异性板的疲劳损伤安全性等级评估方法。本文的研究内容按以下几点进行展开:(1)根据某悬索桥钢箱梁内部正交异性桥面板已产生的疲劳裂纹的巡检结果,构建包含裂纹萌生位置、发展走向、裂纹长度等信息的特征向量数据集。利用数据关联分析算法挖掘出疲劳裂纹各特征向量之间的隐藏关系,并得到疲劳裂纹相对钢箱梁整体的分布规律。(2)为兼顾到悬索桥整体的受力条件和疲劳裂纹萌生细部构造计算精度要求,利用大型有限元软件ABAQUS建立了包含梁单元、板壳单元和实体单元的多尺度有限元模型。使用扩展有限元...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
韩国圣水（Sung-Soo）大桥
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-2-近年来，虽然国内外学者对钢桥疲劳断裂问题的研究有了一定进展，实际工程中也采取了诸多防护措施，但依旧有钢桥疲劳破坏导致垮塌事故的发生。1994年10月，韩国圣水（Sung-Soo）大桥在建成15年后倒塌，如图1-1所示，造成了生命财产的损失[6-7]。该桥是一座全长1160m的悬臂式钢桁架梁桥，倒塌发生于11#桥墩与12#桥墩之间的悬挂跨位置，48m的钢桁架主梁突然断裂坠入河中。研究表明，垮塌是由桁架构件连接处几何突变位置的疲劳裂纹扩展引起的。2007年8月，美国密西西比大桥在正常运营期间突然断裂，桥梁上部结构整体落入河中，如图1-2所示。该桥在使用期间已进行了足够完善的检查与检测，当地的研究学者早在6年前便对该桥进行了疲劳寿命分析，认为该桥在短时间内并不会出现断裂破坏事故，但当时该桥的连接部位已有较多的裂纹存在[8]。显然，对于疲劳问题的研究不够透彻以及对疲劳损伤缺乏足够的重视是导致该桥发生断裂事故的主要原因。扁平钢箱梁作为大跨度悬索桥、斜拉桥的主梁的主要截面形式，对其关键构件进行疲劳损伤及疲劳破坏的研究是十分必要的。a)倒塌前b)倒塌后图1-1韩国圣水（Sung-Soo）大桥a)倒塌前b)倒塌后图1-2美国密西西比河大桥
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-8-a)开口肋b)闭口肋图1-3正交异性钢桥面板纵肋形式1.3.1正交异性板疲劳问题国外研究现状20世纪中后期，正交异性钢桥面板首先在发达国家得到广泛应用，欧美和日本相关学者和研究机构对正交异性钢桥面板展开大量的试验研究。欧洲铁路研究所[38]在捷克对试件进行疲劳研究，重点对苹果形开口、圆形开口和无开口3种横隔板开口形式进行疲劳荷载试验，以研究横隔板开口形式对构件疲劳抗力的影响。结果表明，3种开口形式的疲劳性能基本一致，在相同位置出现疲劳开裂，这表明无论何种开口形式，剪力都会对构件细节产生不利影响。而当构件承受纯受弯荷载作用时，圆形开孔较苹果型开孔产生的应力集中效应更加明显，因此苹果型开口具有更好的疲劳性能。EvyVanPuymbroeck等[39]为精确考虑焊接残余应力、车辆荷载等因素对正交异性板疲劳设计响应的影响，采用有限元的方法对纵向加劲肋与桥面顶板的焊接过程进行数值模拟，计算了焊缝尺寸、焊接电流、焊接速度对焊接残余应力的影响。为尽量减小焊缝附近拉伸残余应力，将不同的焊接工序依次模拟，使得正交异性钢桥面板具有更长的疲劳寿命。JohanMaljaars等[40]对桥梁及轮渡甲板的正交异性板的疲劳裂纹开展研究，典型的疲劳裂纹往往出现在顶板与纵向加劲肋焊缝的焊根位置，向顶板方向扩展。为解决有限的疲劳试验导致疲劳强度结果的不确定性，建立了该类裂纹的线弹性断裂力学模型，为研究该类裂纹的疲劳性能提供了理论依据。该模型预测了一个相对较高的疲劳抗力，这接近于疲劳试验的结果。同时进一步预测了裂纹检测后较长的残余疲劳寿命，提供了更大的检测间隔。IsaacFarreras-Alcover等[41]考虑了温度变化、交通流量等因素对正交异性桥面板关键部位疲劳应力的影响，利用监?
【参考文献】：
期刊论文
[1]钢桥面板纵肋与横隔板连接位置疲劳损伤特征[J]. 朋茜,周绪红,狄谨,秦凤江,王杰. 中国公路学报. 2018(11)
[2]正交异性钢桥面板结构体系的疲劳破坏模式和抗力评估[J]. 张清华,李俊,郭亚文,袁道云,卜一之. 土木工程学报. 2019(01)
[3]钢桥面板顶板与纵肋连接焊根位置疲劳损伤特征[J]. 周绪红,朋茜,秦凤江,狄谨. 交通运输工程学报. 2018(01)
[4]钢箱梁横隔板弧形切口疲劳性能及构造优化研究[J]. 柯璐,林继乔,李传习,刘永明,陈卓异. 桥梁建设. 2017(05)
[5]正交异性钢桥面板足尺疲劳试验[J]. 王春生,付炳宁,张芹,冯亚成. 中国公路学报. 2013(02)
[6]谈谈钢桥的疲劳和断裂[J]. 钱冬生. 桥梁建设. 2009(03)
[7]BS5400与中国公路设计规范中的荷载及荷载组合[J]. 苏武. 铁道工程学报. 2007(11)
[8]基于断裂力学的老龄钢桥剩余寿命与使用安全评估[J]. 王春生,陈艾荣,陈惟珍. 中国公路学报. 2006(02)
[9]铁路桥梁正交异性钢桥面的疲劳特征[J]. 万鹏,郑凯锋. 世界桥梁. 2004(01)
[10]老龄钢桥工作状态模拟与疲劳寿命[J]. 王春生,陈惟珍,陈艾荣. 桥梁建设. 2003(05)
博士论文
[1]基于应变能的钢桥面板与纵肋连接细节疲劳寿命评估方法及其可靠度研究[D]. 崔闯.西南交通大学 2018
[2]基于断裂力学的钢桥疲劳裂纹扩展与寿命评估方法研究[D]. 宗亮.清华大学 2015
[3]基于断裂力学的公路钢桥疲劳寿命可靠度方法研究[D]. 郑淳.华南理工大学 2013
本文编号：2910149
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
韩国圣水（Sung-Soo）大桥
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-2-近年来，虽然国内外学者对钢桥疲劳断裂问题的研究有了一定进展，实际工程中也采取了诸多防护措施，但依旧有钢桥疲劳破坏导致垮塌事故的发生。1994年10月，韩国圣水（Sung-Soo）大桥在建成15年后倒塌，如图1-1所示，造成了生命财产的损失[6-7]。该桥是一座全长1160m的悬臂式钢桁架梁桥，倒塌发生于11#桥墩与12#桥墩之间的悬挂跨位置，48m的钢桁架主梁突然断裂坠入河中。研究表明，垮塌是由桁架构件连接处几何突变位置的疲劳裂纹扩展引起的。2007年8月，美国密西西比大桥在正常运营期间突然断裂，桥梁上部结构整体落入河中，如图1-2所示。该桥在使用期间已进行了足够完善的检查与检测，当地的研究学者早在6年前便对该桥进行了疲劳寿命分析，认为该桥在短时间内并不会出现断裂破坏事故，但当时该桥的连接部位已有较多的裂纹存在[8]。显然，对于疲劳问题的研究不够透彻以及对疲劳损伤缺乏足够的重视是导致该桥发生断裂事故的主要原因。扁平钢箱梁作为大跨度悬索桥、斜拉桥的主梁的主要截面形式，对其关键构件进行疲劳损伤及疲劳破坏的研究是十分必要的。a)倒塌前b)倒塌后图1-1韩国圣水（Sung-Soo）大桥a)倒塌前b)倒塌后图1-2美国密西西比河大桥
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-8-a)开口肋b)闭口肋图1-3正交异性钢桥面板纵肋形式1.3.1正交异性板疲劳问题国外研究现状20世纪中后期，正交异性钢桥面板首先在发达国家得到广泛应用，欧美和日本相关学者和研究机构对正交异性钢桥面板展开大量的试验研究。欧洲铁路研究所[38]在捷克对试件进行疲劳研究，重点对苹果形开口、圆形开口和无开口3种横隔板开口形式进行疲劳荷载试验，以研究横隔板开口形式对构件疲劳抗力的影响。结果表明，3种开口形式的疲劳性能基本一致，在相同位置出现疲劳开裂，这表明无论何种开口形式，剪力都会对构件细节产生不利影响。而当构件承受纯受弯荷载作用时，圆形开孔较苹果型开孔产生的应力集中效应更加明显，因此苹果型开口具有更好的疲劳性能。EvyVanPuymbroeck等[39]为精确考虑焊接残余应力、车辆荷载等因素对正交异性板疲劳设计响应的影响，采用有限元的方法对纵向加劲肋与桥面顶板的焊接过程进行数值模拟，计算了焊缝尺寸、焊接电流、焊接速度对焊接残余应力的影响。为尽量减小焊缝附近拉伸残余应力，将不同的焊接工序依次模拟，使得正交异性钢桥面板具有更长的疲劳寿命。JohanMaljaars等[40]对桥梁及轮渡甲板的正交异性板的疲劳裂纹开展研究，典型的疲劳裂纹往往出现在顶板与纵向加劲肋焊缝的焊根位置，向顶板方向扩展。为解决有限的疲劳试验导致疲劳强度结果的不确定性，建立了该类裂纹的线弹性断裂力学模型，为研究该类裂纹的疲劳性能提供了理论依据。该模型预测了一个相对较高的疲劳抗力，这接近于疲劳试验的结果。同时进一步预测了裂纹检测后较长的残余疲劳寿命，提供了更大的检测间隔。IsaacFarreras-Alcover等[41]考虑了温度变化、交通流量等因素对正交异性桥面板关键部位疲劳应力的影响，利用监?
【参考文献】：
期刊论文
[1]钢桥面板纵肋与横隔板连接位置疲劳损伤特征[J]. 朋茜,周绪红,狄谨,秦凤江,王杰. 中国公路学报. 2018(11)
[2]正交异性钢桥面板结构体系的疲劳破坏模式和抗力评估[J]. 张清华,李俊,郭亚文,袁道云,卜一之. 土木工程学报. 2019(01)
[3]钢桥面板顶板与纵肋连接焊根位置疲劳损伤特征[J]. 周绪红,朋茜,秦凤江,狄谨. 交通运输工程学报. 2018(01)
[4]钢箱梁横隔板弧形切口疲劳性能及构造优化研究[J]. 柯璐,林继乔,李传习,刘永明,陈卓异. 桥梁建设. 2017(05)
[5]正交异性钢桥面板足尺疲劳试验[J]. 王春生,付炳宁,张芹,冯亚成. 中国公路学报. 2013(02)
[6]谈谈钢桥的疲劳和断裂[J]. 钱冬生. 桥梁建设. 2009(03)
[7]BS5400与中国公路设计规范中的荷载及荷载组合[J]. 苏武. 铁道工程学报. 2007(11)
[8]基于断裂力学的老龄钢桥剩余寿命与使用安全评估[J]. 王春生,陈艾荣,陈惟珍. 中国公路学报. 2006(02)
[9]铁路桥梁正交异性钢桥面的疲劳特征[J]. 万鹏,郑凯锋. 世界桥梁. 2004(01)
[10]老龄钢桥工作状态模拟与疲劳寿命[J]. 王春生,陈惟珍,陈艾荣. 桥梁建设. 2003(05)
博士论文
[1]基于应变能的钢桥面板与纵肋连接细节疲劳寿命评估方法及其可靠度研究[D]. 崔闯.西南交通大学 2018
[2]基于断裂力学的钢桥疲劳裂纹扩展与寿命评估方法研究[D]. 宗亮.清华大学 2015
[3]基于断裂力学的公路钢桥疲劳寿命可靠度方法研究[D]. 郑淳.华南理工大学 2013
本文编号：2910149
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