STC铺装对U肋焊缝处疲劳性能的改进

发布时间：2020-04-13 18:34

【摘要】：正交异性钢桥面板在结构性能上表现出承载力强,跨度大,受力性能优异等诸多优势,现广泛应用于各种桥型。然而应用于实际桥梁结构时存在桥面铺装损害和构造细节开裂这两个问题。究其原因,可概况为以下几点:车辆荷载,循环往复作用;复杂构造,易导致应力集中;焊接连接,易产生缺陷和残余应力。国内外的研究人员经历了多年的实验计算,并尝试各种结构优化,但尚未能从根本上解决上述问题。论文以一座铺装病害严重,U肋顶板连接焊缝出现轻微裂纹的钢斜拉桥为研究原型,拟定超高韧性混凝土结构作为新的铺装方案对原破损严重的沥青铺装进行更换。来探究更换铺装对构造细节抗疲劳性能的影响及对焊缝处细小裂纹继续扩展的控制效果。主要研究工作可分为如下三个方面:(1)分别建立两种铺装结构的多尺度有限元模型(对沥青铺装设定不同的刚度以模拟不同的破损程度,对超高韧性混凝土铺装设定不同的层间摩擦系数以模拟不同的界面粘结能力),利用外推公式得到U肋顶板焊缝处热点应力,结合S-N曲线法评估其疲劳寿命。结果发现,沥青铺装破损会使得U肋顶板焊接细节疲劳寿命大幅折减,更换为STC铺装后构造细节理论上具有无限寿命。(2)对U肋顶板焊接残余应力进行有限元分析,模拟焊缝填充过程,观察到焊接全过程温度及应力变化,提取过程温度场结果,分析残余应力分布形态。结果显示:桥面板靠近焊缝处残余Von Mises应力几乎达到屈服强度,远离焊缝区域纵桥残余应力呈现压应力状态,与已有的实验及数值分析结论基本一致,验证了残余应力数值模拟的正确性。(3)基于断裂力学理论,确定几种初始裂纹长度,以(1)中得到的两种铺装结构共八种状态下的等效应力幅作为应力边界条件,使用ANSYS建立含裂纹的二维有限元模型,定义裂纹扩展增量,多次计算叠加得到裂纹循环扩展曲线,认为裂纹扩展至板厚约0.7倍就达到结构失稳断裂的截止限。结合日交通量的统计数据得到裂纹扩展至破坏的全寿命。发现时与(1)中方法得到的结果基本一致。考虑实际结构中可见裂纹的长度一定大于,认为断裂力学法的估算结果更保守。同时也证明了STC铺装对U肋顶板焊缝处的裂纹扩展有良好的控制效果。
【图文】：

下划线文字为导致裂纹出现的主要因素，加粗文字为本文关注重点图 1-2 钢桥疲劳特点及 OSD 构造疲劳病害成因特别指出，除了“局部塑性变形”和“应力幅”，有的文献也会将“拉应导致裂纹的主要因素之一[9]。由图 1-2，表 1-2 中归纳的造成 OSD 自身及害的成因，可以理解各构造细节焊接处一直都是疲劳研究的重点。2) 常见的疲劳破坏细节随着桥梁工程界对疲劳问题认识的深入，OSD 构造细节也在不断优化，1-1 展示了 U 肋截面形式在不同时期的变化。图 1-3 为 OSD 结构早期的构]，，当前的 OSD 设计中已剔除弃用其中的 ，剩余 5 种易出现疲劳位[6]在图中突出显示：

哈尔滨工业大学硕士学位论文现已有研究证实，虽然第 类方法加固效果最好，但对于微小裂纹，可以通过改进铺装层让应力重新分布，进而降低裂纹处应力水平，达到控制裂纹扩展的效果建议根据实际情况，方案 组合使用[14]。1.1.3 课题来源及意义本文依托于辽宁省铁岭市凡河四桥（异形独塔双跨斜拉桥），其跨径布置示意于图 1-6。
【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】：2018
【分类号】：U443.33

【参考文献】

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本文编号：2626299