基于疲劳荷载模型Ⅲ的钢桥面及铺装结构性能分析

发布时间：2020-06-26 09:32

【摘要】：近年来随着大跨径桥梁的快速发展,钢箱梁的使用率越来越高,因此钢桥面板的疲劳破坏越来越受到国内外学者的重视。我国铁路钢桥疲劳设计方面较为完善,而公路钢桥疲劳设计在2015年之前基本参考国外和铁路方面的相关疲劳荷载规范。由于国内外的实际交通状况差异较大,故我国交通运输部在参考英国BS5400规范、欧洲Eurocode规范、美国AASHTO规范的疲劳荷载的基础上,针对我国的实际交通形式颁布了《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015),其中疲劳荷载模型共有三个,而疲劳荷载模型Ⅲ主要是针对正交异性钢桥面板疲劳验算设计的。本文基于实际已建成桥梁工程,通过疲劳荷载模型Ⅲ和三种国外规范中的疲劳荷载对钢桥面板进行疲劳验算和评估,进而分析我国规范中疲劳荷载模型Ⅲ的适用性。首先本文总结了钢桥面板和铺装层的典型疲劳破坏的现象,回顾了国内外有关疲劳荷载的研究发展历程。介绍了钢桥疲劳损伤机理,主要阐述了线性累积损伤理论关于疲劳方面的研究方法,进而确定线性累积损伤理论为本文理论基础。其次以在役桥梁工程为背景,采用Midas FEA有限元软件建立两种铺装层状况的正交异性钢桥面板有限元模型。通过线性静力计算结果确定钢桥面板在横桥向最不利加载位置,进而将钢桥面板按两种铺装状况分别对快、慢车道中的疲劳细节进行疲劳验算。将各个规范中的疲劳荷载模型分别进行加载,确定四种疲劳细节的应力频值谱,再结合实际交通调查和预测数据确定设计基准期内交通量,将第一主应力幅值计算结果按线性疲劳损伤理论转换为200万次等效应力幅,通过规范中的验算方法确定所研究的疲劳细节是否发生疲劳破坏。计算结果表明,疲劳细节4应作为疲劳验算时的控制细节,同时在疲劳荷载模型Ⅲ作用下疲劳细节1、2和4在完好铺装层状况下已经发生疲劳破坏,在破损铺装层状况下四个疲劳细节均发生疲劳破坏;而采用英国BS5400规范验算时在破损铺装层状况下均满足要求。最后分析钢桥面铺装层的结构性能。采用公路钢结构桥梁设计规范中的疲劳荷载模型Ⅲ进行纵桥向单车道加载来确定钢桥面铺装层应力和竖向变形的最不利加载位置后,在纵桥向最不利加载位置的基础上进行横桥向双车道加载来确定横桥向最不利加载位置,进而得出在铺装层破损状况下纵桥向应力最大值为0.9140.229MPa,则抗裂性能不满足参考控制条件;界面剪切应力最大值为0.3490.893MPa,则满足参考控制条件;最大竖向位移为3.2294.375mm,则属于正常竖向位移范围。综合上述结论,总结出新颁布的规范与其它规范疲劳荷载下验算正交异性钢桥面板和铺装层计算结果的差异,进而对疲劳荷载模型Ⅲ在疲劳验算过程中的相关系数取值有更好的认识和对已建成且正在服役的桥梁提出加固建议。
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U443.3
【图文】：

为 12m 和 14m；而非标准梁段为 17.5m，其中横隔板将其等分为 5 段，横隔板桥向间距为 3.5m。钢箱梁内部有两道贯通的纵隔板，其横桥向间距为 12m。钢梁设计尺寸标准断面图和有限元模型如图 3-1 和 3-2 所示。9200 8003753154312×8004008×120012976002×100060009200400015050375380012971200600 3250+2×3750+750 2000/22000/23250+2×3750+750 6001200750 750 13550 13550 750750防撞护栏斜拉索检查车轨道 检查车轨道2.0% 2.0%5.5cm环氧沥青混凝土防撞护栏3cm橡胶垫层901020030图 3-1 钢箱梁标准断面布置图

2ECSx-axis2图 3-3（b） 板单元坐标系图通过查阅文献和规范选择四种具有代表性的疲劳细节进行疲劳寿命分析[7]。本文选取进行疲劳分析的细节共有四处：顶板沿纵向加劲肋焊缝处、纵向加劲肋对接焊缝处、纵向加劲肋与横隔板连接焊缝处和横隔板开孔端部，其中在选取代表四种疲劳细节的节点时综合考虑节点应力实际水平和圣维南原理效应[48]。为在下文中清晰简明地表达疲劳细节位置，故将上述所研究的疲劳细节分别编号为“疲劳细节1、2、3 和 4”。本文选取关键部位 5×3.5m 节段钢箱梁建模，同时考虑到计算成本和疲劳细节的应力影响线较短，不考虑多车道效应和另一侧行车道对所研究区域的疲劳细节影响可以忽略不计，则本文只对选取节段的二分之一进行建模[49] [50]。模型共划分 901018 个单元和 821664 个节点，其整体模型和疲劳细节局部分析部位模型如图 3-5 所示。

【参考文献】

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本文编号：2730137