考虑焊接残余应力的钢桥面横隔板疲劳开裂机理研究
发布时间：2021-10-23 02:13
随着钢箱梁桥的推广使用以及服役时间的增加,横隔板弧形切口的疲劳开裂问题出现频繁,得到了桥梁工程领域的关注。该部位受力情况复杂,影响其疲劳开裂的因素较多,受车辆轮载作用的同时,极有可能存在较大的焊接残余应力,这给疲劳开裂研究带来诸多困难。为科学地认识其疲劳开裂机理,本文以钢桥面横隔板为研究对象,建立了车辆荷载作用下的钢箱梁桥有限元模型,分析了72种工况组合作用下的弧形切口应力响应特征。建立了U肋与横隔板焊接连接的热弹塑性有限元模型,明确了其焊接温度场和应力场。开展了横隔板应力测试试验研究,分析了弧形切口边缘残余应力分布规律。并在此基础上,建立了横隔板焊接残余应力与轮载应力叠加简化模型,提出了基于应变能的钢桥面横隔板疲劳评估方法。研究内容和结论具体如下:（1）介绍了正交异性钢桥面的应用概况及疲劳开裂的破坏形式,特别是横隔板弧形切口开裂现象尤为突出,影响桥梁的安全运营。从钢桥面疲劳、弧形切口疲劳、焊接残余应力三个方面对国内外研究现状进行了总结归纳。引出当前横隔板弧形切口受力情况不清晰、疲劳开裂机理不明确的问题。（2）为明确横隔板车辆轮载应力受力情况,通过ABAQUS软件建立了移动车辆荷载作用...
【文章来源】：北京建筑大学北京市
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
早期正交
第1章绪论2随后，日本也先后建立了大岛大桥和多多罗大桥等钢箱梁桥梁，钢桁架桥梁得到了进一步发展。20世纪70年代，我国建设了潼关黄河铁路大桥，这是我国第一个使用正交异性钢桥面板的桥梁。进入21世纪，我国钢桥建设技术进一步成熟，建设了南京长江大桥、润扬大桥等超长跨度的钢桥梁桥。但是，许多桥梁在服役期间产生了疲劳开裂现象。各国部分使用正交异性钢桥面板出现疲劳问题的桥梁如表1-1所示[8]。表1-1各国部分疲劳开裂的桥梁桥梁名称国家建成年份疲劳裂纹出现位置Severn桥英国1966顶板与U肋连接角焊缝Caland桥荷兰1969顶板与U肋焊缝处Maihama桥日本1978桥面板VanBrienenoord荷兰1990顶板-U肋-横隔板连接处虎门大桥中国1997顶板与U肋焊接焊根处长江大桥中国1999人行道板与腹板连接处正交异性钢桥面板构造细节和力学特性都十分复杂，开裂部位主要集中在焊缝密集区域[9]，具体位置如图1-2所示。①顶板与U肋连接焊缝处开裂；②纵肋接头焊缝处开裂；③顶板与横隔板连接焊缝处开裂；④Ｕ肋与横隔板连接焊缝处开裂；⑤靠近Ｕ肋焊缝下端的横隔板弧形切口起弧点附近母材开裂。顶板U肋横隔板④②③①⑤图1-2钢箱梁桥面板疲劳开裂位置可以看出，正交异性钢桥面板各开裂部位均出现在焊缝附近，这与焊接过程产生的残余应力密切相关。特别是近年来，正交异性钢桥面横隔板与U肋焊接区域疲劳开裂现象层出不穷，如某悬索桥钢桥面在实桥检测中，发现横隔板与U肋连接处出现了大量疲劳裂纹，其中，横隔板弧形切口处母材开裂达121处[1]。图1-3为某悬索桥某悬索桥横隔板弧形切口发现的疲劳裂纹。钢桥面横隔板开裂的维修需中断交通，造成较为严重的
第1章绪论3直接或间接的经济损失。图1-3横隔板弧形切口疲劳裂纹考虑焊接残余应力的同时，对车辆轮载作用下的钢桥面横隔板进行疲劳评估，是保证该类桥面超长期运营安全的前提。探究钢箱梁桥横隔板的应力分布规律，明确其疲劳开裂机理具有十分重要的现实意义，这也为未来钢箱梁桥疲劳寿命周期设计提供依据，为正在服役的桥梁进行维修养护提供参考。1.2国内外研究现状1.2.1钢桥面板疲劳研究现状自从1971年英国Severn桥出现开裂现象以来，针对正交异性刚桥面板结构疲劳问题，国内外学者进行了大量探索。Wohler通过对大量疲劳试验数据进行分析，提出了疲劳寿命与应力范围有重要关系，Spangenberg用曲线将他的数据进行了表示，形成了著名的S-N曲线。Miner[11]进行了大量试验，建立了著名的Palmgren-Miner线性累积损伤理论，为钢桥疲劳评估及寿命预测打下了坚实基矗Wolchuk[12]初步提出设计正交异性钢桥面板结构的焊接疲劳细节，并引入了设计过程中需要考虑桥面板所受应力流的概念，对钢桥疲劳评估具有重要意义。钢桥疲劳与应力息息相关，并逐渐开始引入构件截面平均应力来对钢桥寿命进行评估，即如今广泛应用于BS5400[13]、AASHTO[14]、EUROCODE3[15]及中国公路钢结构桥梁规范[16]中的名义应力法。国内外学者应用名义应力法对钢桥疲劳开展了一系列研究。Klostein[17]对不同应力比、不同焊接形式的面板与纵肋连接部位的疲劳寿命采用名义应力法进行了评估，得到了不同疲劳强度等级并与规范EUROCODE3中相对应的强度等级进行了比较。唐亮[18]等通过开展正交异性钢桥面板足尺模型疲劳试验,其中U肋对接接头、顶板疲劳强度等级均参考欧洲规范EUROCEDE3中的71类细节，根据名义应力法计算得到的几类疲劳细节的疲劳抗力。吕彭民[19]等通过对钢
本文编号：3452272
【文章来源】：北京建筑大学北京市
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
早期正交
第1章绪论2随后，日本也先后建立了大岛大桥和多多罗大桥等钢箱梁桥梁，钢桁架桥梁得到了进一步发展。20世纪70年代，我国建设了潼关黄河铁路大桥，这是我国第一个使用正交异性钢桥面板的桥梁。进入21世纪，我国钢桥建设技术进一步成熟，建设了南京长江大桥、润扬大桥等超长跨度的钢桥梁桥。但是，许多桥梁在服役期间产生了疲劳开裂现象。各国部分使用正交异性钢桥面板出现疲劳问题的桥梁如表1-1所示[8]。表1-1各国部分疲劳开裂的桥梁桥梁名称国家建成年份疲劳裂纹出现位置Severn桥英国1966顶板与U肋连接角焊缝Caland桥荷兰1969顶板与U肋焊缝处Maihama桥日本1978桥面板VanBrienenoord荷兰1990顶板-U肋-横隔板连接处虎门大桥中国1997顶板与U肋焊接焊根处长江大桥中国1999人行道板与腹板连接处正交异性钢桥面板构造细节和力学特性都十分复杂，开裂部位主要集中在焊缝密集区域[9]，具体位置如图1-2所示。①顶板与U肋连接焊缝处开裂；②纵肋接头焊缝处开裂；③顶板与横隔板连接焊缝处开裂；④Ｕ肋与横隔板连接焊缝处开裂；⑤靠近Ｕ肋焊缝下端的横隔板弧形切口起弧点附近母材开裂。顶板U肋横隔板④②③①⑤图1-2钢箱梁桥面板疲劳开裂位置可以看出，正交异性钢桥面板各开裂部位均出现在焊缝附近，这与焊接过程产生的残余应力密切相关。特别是近年来，正交异性钢桥面横隔板与U肋焊接区域疲劳开裂现象层出不穷，如某悬索桥钢桥面在实桥检测中，发现横隔板与U肋连接处出现了大量疲劳裂纹，其中，横隔板弧形切口处母材开裂达121处[1]。图1-3为某悬索桥某悬索桥横隔板弧形切口发现的疲劳裂纹。钢桥面横隔板开裂的维修需中断交通，造成较为严重的
第1章绪论3直接或间接的经济损失。图1-3横隔板弧形切口疲劳裂纹考虑焊接残余应力的同时，对车辆轮载作用下的钢桥面横隔板进行疲劳评估，是保证该类桥面超长期运营安全的前提。探究钢箱梁桥横隔板的应力分布规律，明确其疲劳开裂机理具有十分重要的现实意义，这也为未来钢箱梁桥疲劳寿命周期设计提供依据，为正在服役的桥梁进行维修养护提供参考。1.2国内外研究现状1.2.1钢桥面板疲劳研究现状自从1971年英国Severn桥出现开裂现象以来，针对正交异性刚桥面板结构疲劳问题，国内外学者进行了大量探索。Wohler通过对大量疲劳试验数据进行分析，提出了疲劳寿命与应力范围有重要关系，Spangenberg用曲线将他的数据进行了表示，形成了著名的S-N曲线。Miner[11]进行了大量试验，建立了著名的Palmgren-Miner线性累积损伤理论，为钢桥疲劳评估及寿命预测打下了坚实基矗Wolchuk[12]初步提出设计正交异性钢桥面板结构的焊接疲劳细节，并引入了设计过程中需要考虑桥面板所受应力流的概念，对钢桥疲劳评估具有重要意义。钢桥疲劳与应力息息相关，并逐渐开始引入构件截面平均应力来对钢桥寿命进行评估，即如今广泛应用于BS5400[13]、AASHTO[14]、EUROCODE3[15]及中国公路钢结构桥梁规范[16]中的名义应力法。国内外学者应用名义应力法对钢桥疲劳开展了一系列研究。Klostein[17]对不同应力比、不同焊接形式的面板与纵肋连接部位的疲劳寿命采用名义应力法进行了评估，得到了不同疲劳强度等级并与规范EUROCODE3中相对应的强度等级进行了比较。唐亮[18]等通过开展正交异性钢桥面板足尺模型疲劳试验,其中U肋对接接头、顶板疲劳强度等级均参考欧洲规范EUROCEDE3中的71类细节，根据名义应力法计算得到的几类疲劳细节的疲劳抗力。吕彭民[19]等通过对钢
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