考虑焊接残余应力的钢桥构造细节疲劳性能评估

摘要

焊接钢结构在桥梁工程中应用广泛，关键细节处在焊接过程中不可避免的会产生焊接残余应力，是引发焊接部位疲劳问题的重要因素，现行规范中的细节分类不能有效反映实际焊接残余应力水平。为疲劳寿命评估的准确性，本文采用热-结构耦合的数值分析方法，基于Goodman公式及相关经验理论，提出了定量考虑焊接残余应力修正材料S-N曲线的构造细节疲劳性能确定方法，并验证其可行性。为进一步提高结构的可靠度，考虑焊接损伤引起的初始裂纹，基于断裂力学理论，分析其疲劳裂纹扩展行为，并由裂纹传递方程得到构造细节的S-N曲线，预测结构疲劳强度的离散区间，保证结构的安全。 武汉杨泗港长江大桥为大跨径双层公路悬索桥，荷载水平高，疲劳风险等级大，且在国内首次采用全焊钢桁梁结构形式。本文以此桥为工程依托，针对钢桁梁焊接交叉部位过焊孔构造展开具体分析，通过所提理论方法明确了该关键构造细节的疲劳性能，对主桁杆件进行疲劳寿命评估。主要成果如下： （1）采用热点应力法对过焊孔细节起弧处的应力集中效应进行了有限元计算，并通过参数分析，对比不同圆弧半径，以及直角过渡与圆弧过渡形式，表明过焊孔圆弧半径不宜取得过大，直角过渡形式比圆弧过渡形式受力性能更好。 （2）通过热-结构耦合的分析方法对过焊孔细节的焊接残余应力进行了数值模拟分析，结果表明：焊缝部位处存在较大的焊接残余拉应力，最大等效焊接残余应力有266MPa，故在疲劳评估中应予以充分考虑。 （3）根据所提构造细节S-N曲线计算模型，考虑焊接残余应力等因素对材料S-N曲线的修正，得到过焊孔构造细节的S-N曲线为：lgN=13.94-4.34lgσ，并基于断裂力学理论，计及初始裂纹，由疲劳裂纹的传递得到过焊孔构造细节的S-N曲线为：lgN-10.88-2.67lgσ，故其200万次对应的疲劳强度区间为51.88MPa~57.41MPa。 （4）构建全桥空间有限元模型，采用我国规范中的标准疲劳车及英国BS5400规范中多车道加载模式，明确钢桁梁疲劳最不利杆件位置，获得了疲劳最危险部位200万次等效应力幅为39.03MPa，低于关键构造细节对应的疲劳强度，故杨泗港长江大桥主桁杆件疲劳寿命满足设计要求。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2钢桥疲劳研究现状

1.3存在的学术问题

1.4本文主要研究内容、技术路线

第2章 钢桥疲劳分析基本理论

2.1钢桥疲劳分析基本方法

2.2公路钢桥疲劳荷载模型

2.3焊接残余应力的计算理论

2.4本章小结

第3章 考虑焊接残余应力的构造细节疲劳性能确定方法

3.1考虑焊接残余应力的材料疲劳强度修正

3.2考虑焊接残余应力的焊接细节S-N曲线确定

3.3基于裂纹扩展的S-N曲线确定

3.4构造细节S-N曲线计算方法验证

3.5本章小结

第4章 钢桁梁关键构造细节疲劳性能分析

4.1工程概况

4.2过焊孔构造细节热点应力分析

4.3焊接残余应力的数值模拟

4.4修正材料S-N曲线的过焊孔构造细节疲劳性能确定

4.5基于裂纹扩展的过焊孔构造细节的S-N曲线确定

4.6本章小结

第5章 大跨径双层公路桥钢桁梁疲劳寿命评估

5.1钢桁梁疲劳寿命评估方法和流程

5.2钢桁梁疲劳荷载确定

5.3主桁杆件疲劳寿命评估

5.4本章小结

第6章 结论和展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献