轻型组合桥面弧形缺口受力试验与理论研究

发布时间：2020-05-29 12:13

【摘要】：正交异性钢桥面板(Orthotropic Steel Deck,OSD)具有轻质高强的特点,被广泛应用于各大桥梁中,具有良好的应用前景。但OSD结构一直存在疲劳开裂现象,降低了桥梁的适用性和安全性,极大影响了其使用和推广。弧形缺口属于OSD结构疲劳开裂重点部位,自人们开始系统研究OSD结构疲劳开裂以来,一直受专家学者的关注。但至今为止,针对弧形缺口的疲劳开裂处理方法仍然有限,在实际结构中开裂现象也较为严重。为缓解OSD结构的疲劳现象,近年来有学者提出了钢-UHPC(Ultra-High Performance Concrete)轻型桥面组合体系。通过在桥面板铺设35~65mm的UHPC层,可增大桥面刚度,降低OSD结构各疲劳细节应力。为深入研究轻型桥面组合体系中弧形缺口的应力改善程度,本文通过有限元计算和实桥测试,对弧形缺口受力情况和应力状态进行了分析,主要研究内容如下:(1)结合一座大跨自锚式悬索桥,针对OSD结构铺设UHPC层前、后两种情形,分别建立空间实体有限元分析模型,并考虑了简化加载、响应面加载两种方式进行分析,获得了弧形缺口应力、变形分布规律与车辆轴载位置之间的关系,了解了弧形缺口区域应力的分布情况,揭示了弧形缺口出现峰值拉、压应力的原因。结果表明:铺设UHPC前、后弧形缺口关注点应力特征随荷载分布规律基本相同,面内应力为主、面外应力较小,拉应力主要由荷载偏载产生、加载区域长,而压应力主要由荷载直接作用于弧形缺口顶部产生、且加载区域短;采用传统简化加载方式难以获得弧形缺口处准确的拉应力峰值,可能导致应力幅偏小,由此提出了合理的加载方式。(2)采用三轴加载车分别在铺设UHPC层前、后进行两次现场跑车试验,采集了弧形缺口多个关注点在不同横向加载位置的应力响应曲线,获得了各点的应力极值,并与有限元结果进行了对比分析。试验结果与理论计算结果具有相同的规律:UHPC层对弧形缺口应力峰值具有削减作用;当车辆偏载时,弧形缺口处出现较大拉应力,当车辆作用于弧形缺口之上时,弧形缺口出现较大压应力;面内应力占比较大而面外应力占比较小。此后对铺设UHPC层后弧形缺口进行了疲劳评估,结果表明弧形缺口疲劳寿命满足规范要求。(3)选择三种不同弧形缺口形式,采用响应面加载方式进行理论分析,并对计算结果分别进行了统计,得到了对应的应力响应面和影响线。在此基础上,对比了铺设UHPC前后弧形缺口应力峰值大小,发现UHPC层对弧形缺口应力峰值削减作用明显;将三者弧形缺口应力与荷载位置之间规律性进行对比,发现不同弧形缺口荷载-应力关系具有相似性;同时弧形缺口之间的应力幅值对比结果表明本桥五段线弧形缺口形式应力幅较小,受力情况相对较好。综上,铺设UHPC层能有效减少弧形缺口应力峰值,并在一定程度上能缓解疲劳问题,是OSD结构提高疲劳性能的一种有效方案。
【图文】：

正交异性钢桥面板,钢桥面板,纵梁,横梁

面板构造比较原始，采用的是钢桥面板底部焊接纵桥向与横桥向的倒 T，钢桥面板直接承受车辆荷载，并传力至横梁与纵梁。相比于传统结构整体性较好，工作效率高。第二次世界大战后，由于战后重建的需要，德国工程师仿照船体结构，交异性钢桥面板。这种结构直接将钢桥面板与纵梁和横梁焊接，桥面板主梁的上翼缘板参与受力，主梁又可以作为桥面板的支撑，这样整个桥理，可以减小用钢量，同时使桥梁建设周期大幅缩短。由于纵梁与横梁，两者刚度又有所不同，故称为正交异性钢桥面板。正交异性钢桥面板分为开口肋和闭口肋。由于开口肋形式构造简单，施工方便，早期钢桥口肋形式，但其抗扭刚度低，桥面板承载能力低，易产生较大变形，因密的横梁和纵梁间距。而闭口肋形式有更高的抗扭刚度，抗形变能力较采用更宽的横向间距[1]。随着焊接技术的提高和钢材加工工艺的成熟，式施工难度降低，其相对优势更加明显，成为近十年来正交异性钢桥面的构造形式，被广泛应用于悬索桥、斜拉桥和城市高架桥中[2]。

缺口,弧形

有较为成熟的局部修补技术。但是，，正交异性钢桥面板结构自身也存在一些问题，制约了该结构的推广与发展，其中最主要的就是钢结构的疲劳问题。当车辆在桥面上行驶时，钢桥面板会直接承受车辆荷载，使桥面板各细节承受较大的交变应力。正交异性钢桥面板中纵肋、横梁与桥面板相互焊接，存在大量焊缝，受制于之前的焊接工艺，焊接区域将会存在孔隙、裂纹等初始缺陷，降低构件承载能力。并且由于焊接高温影响，会在焊缝附近产生残余应力，使局部区域在未承受荷载前就接近开裂或屈服状态。现代工艺采用自动化焊接和科学的焊后处理技术，能大幅降低焊接的影响，但焊接部位及周边区域仍然频频出现开裂现象，本文所研究的弧形缺口区域，也属于疲劳开裂区域之一。弧形缺口疲劳开裂区域大致分为两种，一种位于弧形缺口起始区域，即 U 肋与横隔板焊接部位，此处存在较大焊接残余应力，且由于几何突变应力集中现象明显，开裂较为频繁；另一种位于弧形缺口曲率较大处，由于弧形缺口对横隔板具有削弱作用，因此在该处应力集中现象也较为普遍，不恰当的加工工艺也会在此处引入较大的残余应力，导致该区域开裂早于预期。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U443.31

【参考文献】