CFRP加固正交异性钢桥面板疲劳损伤研究

摘要

近年来，交通量的迅猛增长和超载因素使广泛存在而又未得到有效解决的正交异性钢桥面疲劳开裂的病害愈发严峻。本文沿着“发现疲劳病害-研究疲劳病害-修补疲劳病害”的技术路线，通过疲劳病害调研、疲劳原因分析、疲劳强度验算、疲劳寿命评估、疲劳损伤加固等环节对疲劳问题及疲劳问题的解决加以探讨。
　　发现疲劳病害。对典型的正交异性钢桥面疲劳裂纹进行了调研，从结构构造的角度，分析结构受力特性，把病害原因分为以构造细节为主的主因和以外荷载为主的次因，并从面外变形和应力幅的角度综合讨论了疲劳易损细节的裂纹成因，最后对纵肋对接焊缝、桥面板与纵肋角焊缝及横隔板与纵肋角焊缝的裂纹成因做了重点分析。
　　研究疲劳病害。对比分析了美国AASHTO、欧洲Eurocode、日本道桥示方书以及我国公路钢结构桥梁设计规范中抗疲劳设计方法，重点研究了各国规范对疲劳安全判定准则、疲劳强度等级划分和疲劳标准车模型的规定，并据此验算了正交异性钢桥面典型疲劳细节的疲劳强度；另外，运用大型商用有限元软件ANSYS，借助子模型技术建立起含裂纹的有限元模型，同时，基于线弹性断裂力学的理论，利用位移外推的方法计算得到应力强度因子，并引入有效应力强度因子的概念来考虑应力强度因子的复合性，接着，基于Paris公式，对疲劳裂纹扩展寿命进行了评估，最后，探讨了不同疲劳易损细节疲劳裂纹扩展规律的异同以及疲劳寿命的影响因素。
　　修补疲劳病害。采用无面外刚度的shell41单元模拟CFRP，以节点自由度耦合的方式将CFRP引入含裂纹的疲劳寿命评估模型里，建立起疲劳加固模型，得到了 CFRP加固下的裂纹尖端应力强度因子，围绕无量纲应力强度因子的变化对 CFRP纤维铺层方向、弹性模量、宽度、厚度、长度等加固参数进行了参数分析，结果表明，较大的 CFRP尺寸（长度、宽度）和刚度（厚度、弹性模量）会带来较小的裂纹尖端应力强度因子。以合理利用 CFRP材料为原则，综合考虑加固成本和加固效果的关系，得到了一组针对U肋对接焊缝的最优加固参数组合，在最优加固参数组合下，评估了U肋对接焊缝的疲劳裂纹扩展寿命，结果表明，CFRP显著提高了疲劳裂纹的扩展寿命。

目录

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究历史及现状

1.3 本文研究内容

第2章 正交异性钢桥面疲劳问题和疲劳理论

2.1 引言

2.2 典型疲劳裂纹汇总与疲劳原因分析

2.3 疲劳基本概念

2.4 本章小结

第3章 各国疲劳规范对比研究与疲劳强度验算

3.1 引言

3.2 各国钢结构疲劳规范对比分析

3.3 南京长江三桥正交异性钢桥面疲劳强度验算

3.4 本章小结

第4章 基于断裂力学的疲劳寿命评估

4.1 引言

4.2 应力强度因子的计算

4.3 疲劳寿命评估

4.4 本章小结

第5章 CFRP加固正交异性钢桥面疲劳寿命评估

5.1 引言

5.2 CFRP加固钢结构技术与方案

5.3 CFRP加固下的疲劳寿命评估

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢