钢箱梁正交异性桥面板疲劳机理研究

发布时间：2020-04-03 18:13

【摘要】：正交异性钢桥面板具有自重轻、承载力高、适用范围广等优点,得到了广泛的应用,已经成为大跨度桥梁的首选桥面板结构。但是由于结构复杂,存在较多易产生疲劳的部位,频繁诱发疲劳裂纹。目前疲劳开裂已成为钢结构体系桥梁发展的控制性难题,疲劳裂纹呈现普遍性、早发性、多发性、重复性的特征,严重影响结构的使用性能,甚至导致结构的破坏,从而造成重大的经济损失和不良的社会影响。正交异性钢桥面板各疲劳细节(易疲劳部位)主要对车辆轮载作用位置敏感,重车道下方轮迹线范围内横隔板两相邻开孔间又是面板最薄弱的部位,抗疲劳性能较差,容易产生疲劳裂纹。根据已有的资料,该处疲劳裂纹约占正交异性钢桥面板疲劳裂纹的1/3以上,有的统计甚至高达80%。相关学者们作了大量研究,但是对于横隔板开孔部位疲劳裂纹频繁出现的原因至今尚不完全清楚,这已成为钢桥疲劳研究的难题。为此,本文采用理论分析、模型试验与数值模拟技术相结合的方法,对正交异性钢桥面板的疲劳进行了研究,重点对荷载作用下轮迹线范围内横隔板两相邻开孔部位的面外变形和疲劳裂纹产生的机理进行了深入的探索,揭示了在荷载作用下,横隔板弹塑性局部屈曲引起面外变形,从而诱发裂纹的机理。研究的主要内容和结论如下:(1)裂纹塑性和尾迹场循环塑性分析针对裂纹提前闭合和过载情况下裂纹扩展滞后的问题,采用数值模拟方法对裂纹塑性和尾迹场循环塑性进行了研究,揭示了裂纹提前闭合的原因,阐明了过载情况下裂纹扩展滞后的机理。(2)横隔板开孔部位产生面外变形的原因分析从桥梁结构的稳定理论出发,根据局部屈曲理论,采用数值方法,首次对轮迹线范围内的横隔板两相邻开孔部位产生面外变形的原因进行了分析,揭示了该部位面外变形是由弹塑性局部屈曲引起的机理。根据分析结果,阐明了疲劳损伤与局部屈曲的关系。(3)横隔板开孔部位产生裂纹的力学机理研究基于局部屈曲分析和试验结果,从断裂力学和疲劳裂纹的基本原理出发,采用有限元法对面板模型进行数值分析,结果表明横隔板开孔部位易出现高应力区,考虑热点应力的叠加作用,主应力超过该细节的常幅疲劳极限从而产生了裂纹,揭示了荷载引起的面外变形是该部位疲劳裂纹发生的主要原因。利用不连续伽辽金扩展有限元法(DG-XFEM)对疲劳裂纹的扩展进行了仿真分析,裂纹扩展的方向和路径符合裂纹扩展的基本理论,与试验结果和实桥中出现的类似裂纹一致。(4)正交异性钢桥面板主应力历程线的研究基于两种典型疲劳单车验算模型,采用有限元法分析了荷载纵、横向移动的主应力历程线的变化。结果表明:在对正交异性钢桥面板进行疲劳分析时,可以不考虑前、后轴载和相邻车道上车辆荷载的叠加效应。(5)提高横隔板抗疲劳性能的方法研究根据桥梁结构稳定理论,提出了两种提高横隔板开孔部位的抗疲劳性能的方法,并对两种方法进行了有限元分析。分析结果表明:两者都能显著降低局部屈曲引起的面外变形,其中局部加厚方法更优。
【图文】：

圣水,明尼苏达州,密西西比河,中孔

第一章绪论1.1 研究的背景及意义疲劳是在循环荷载作用下微裂纹萌生和扩展成宏观裂纹的过程。疲劳失效是发生在机械工程领域中的一类十分普遍的物理现象，其基本特征是材料在低于其静力强度极限的循环应力(或应变)的持续作用下，萌生多种类型的内部微裂纹，并逐渐演变成为宏观裂纹，以及由于裂纹扩展而最终导致结构破坏的过程。根据美国土木工程师学会(ASCE)完成的一项调查，80.90％的钢桥破坏均与疲劳和断裂问题有关。1994 年韩国圣水大桥由于疲劳裂纹导致中孔发生崩塌事故，造成 32 人死亡（图1.1）。

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位（疲劳细节），在运营后不久，过多、过早的出现了大量的疲劳裂纹。正交异性桥面板的疲劳开裂问题最早发现于英国 Seven 桥，在其扁平钢箱梁中，首次采用了正交异性桥面板。该桥在 1966 年竣工，使用 5 年后桥面板就出现了三种疲劳裂纹，即顶板与纵肋角焊缝处裂纹、横隔与纵肋角焊缝裂纹以及连接板与纵肋处的裂纹。日本在经济腾飞时期建造了大量的钢结构桥梁，如今钢箱梁桥的疲劳破坏现象频繁发生。其中，最具代表性的当属 1978 年建成开通的 Kinuura 桥。该桥为正交异性桥面板钢箱梁结构，纵向采用 U 形加劲肋，通过金属垫板加单面坡口焊缝连接贯通整桥。这种连接形式实际上为大多数钢箱梁桥所采用，然而，检测人员在 2003 年 6 月检测出许多 U 形肋的焊缝处存在疲劳裂纹，如图 1.2 所示。日本在对国道上部分服役超过 20 年以上的钢桥调查发现，这些桥梁普遍地存在疲劳问题。其中，，阪神道路公司管辖的钢桥中桥面板发生疲劳裂纹的数量由 2006年的 105 座增加到 2007 年的 142 座。
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U441

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