大跨径钢箱梁悬索桥的病害分析及正交异性钢桥面板的疲劳研究

摘要

大跨径钢箱梁悬索桥凭借其特有的优势成为大跨度桥梁的优先选择。然而，由于悬索桥的施工技术、方法、质量问题，材料缺陷，环境腐蚀，车辆超载以及运营期养护管理不到位等因素，导致了已建成的悬索桥出现了各种各样的病害。病害的出现不仅影响了桥梁的正常运营，而且还会降低桥梁主体结构的安全储备。为了确保桥梁的结构安全和运营安全，需及时进行科学的检查、维修和技术状态评价。
　　本文首先介绍了大跨径钢箱梁悬索桥的结构特点，发展历史和运营状况，并总结了国内外对钢箱梁悬索桥各类病害的的研究成果。
　　其次，针对钢箱梁悬索桥桥型，将其分为主缆系统、吊索系统、钢箱梁、锚碇、索塔、附属设施、下部结构七大部分，每个部分又细分为多个构件。通过收集、分析国内外的相关文献资料和调研多座悬索桥病害实例，归纳总结了各个构件典型病害的生成原因、发展趋势及其对整体结构的影响。研究表明，钢丝锈蚀、钢构件腐蚀和钢箱梁疲劳裂纹是最为常见的病害。钢丝锈蚀和钢构件腐蚀主要是防护措施或防腐涂层失效导致的，有计划地检测和及时维修是解决腐蚀问题的关键。而钢箱梁疲劳开裂的原因较为复杂，往往是设计不足、施工缺陷、车辆超载和交通量过大共同导致的。
　　然后，使用有限元方法，对工程实例中的典型钢箱梁疲劳裂纹病害进行了精细化建模。采用基于常幅疲劳设计准则的疲劳分析方法和基于S-N曲线的线性累积损伤分析方法分析裂纹产生原因。并通过参数分析，探讨了在设计阶段避免该种疲劳开裂的方法。计算表明，实际交通量过大，超载严重和钢箱梁顶板过薄是造成工程实例中钢箱梁U肋过焊孔顶板焊缝位置发生疲劳开裂的主要原因。通过增加顶板厚度能有效降低该构造细节的疲劳应力幅值。
　　之后，通过对国内外及多行业养护评定规范的对比，利用专家经验法，提出了适用于大跨径悬索桥的病害指标取值和改进的技术状况评定标准。目前中国的养护评定规范主要是针对中小桥梁或是简单桥型，大跨径悬索桥由于结构、荷载复杂，在应用上多有不适用之处。利用专家经验法可以利用多个专家的经验和智慧，对现行规范的病害指标进行修改，并集成改进的技术状况评定标准。
　　最后，在病害成因分析和病害指标取值研究的基础上，总结了前人经验，结合国内外研究成果，归纳了大跨径钢箱梁悬索桥病害的养护及维修策略。研究表明，主缆系统和吊索系统的养护维修重点应在于防护层的维修、密封防水装置的维护;钢箱梁的维护重点应注重钢构件防腐的维护和疲劳裂纹的处理;锚碇和索塔的维护重点则应侧重于混凝土表观缺陷的维修及位移、转角的观测。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 悬索桥病害研究

1．2．2 钢箱梁疲劳裂纹研究

1．2．3 评定方法研究

1．2．4 养护维修研究

1．3 研究内容和方法

1．3．1 大跨径悬索桥病害成因分析

1．3．2 大跨径悬索桥关键部位病害分析

1．3．3 大跨径悬索桥评定标准制定

1．3．4 病害防治策略研究

1．3．5 论文研究内容及组织架构

第2章 大跨径钢箱梁悬索桥的病害及成因分析

2．1 主缆系统病害及成因分析

2．1．1 缆系统的构造及防护

2．1．2 主缆防护涂层劣化

2．1．3 主缆钢丝锈蚀与断裂

2．1．4 缠丝松弛、锈蚀、断裂

2．2 吊索系统病害及成因分析

2．2．1 吊索系统的构造及防护

2．2．2 护套破损

2．2．3 钢丝机械磨损

2．2．4 吊索异常振动

2．2．5 销轴轴套磨损

2．2．6 吊索索力偏差过大

2．2．7 锚头积水、渗水

2．2．8 锚头锈蚀

2．2．9 索夹螺栓紧固力不足与索夹移位

2．3 锚碇病害及成因分析

2．3．1 锚碇的构造

2．3．2 混凝土表观缺损

2．3．3 混凝土裂缝

2．3．4 钢筋锈蚀

2．3．5 锚室渗水

2．3．6 锚固系统钢构件锈蚀

2．3．7 锚碇体变位

2．4 钢箱梁病害及成因分析

2．4．1 钢箱梁连接方式

2．4．2 钢箱梁涂装劣化

2．4．3 钢箱梁锈蚀

2．4．4 钢箱梁焊接缺陷

2．4．5 钢箱梁疲劳裂纹

2．4．6 钢箱梁局部异常变形

2．4．7 螺栓连接松动失效

2．5 索塔病害及成因分析

2．5．1 塔顶偏位过大

2．5．2 钢索塔常见病害

2．5．3 混凝土索塔常见病害

2．6 支座、桥面铺装、附属设施病害及成因分析

2．6．1 支座病害

2．6．2 钢桥面铺装病害

2．6．3 机电设施病害

2．6．4 检修设施病害

2．7 本章小结

第3章 钢箱梁桥面板的疲劳及有限元分析

3．1 常幅疲劳设计准则的疲劳分析方法

3．2 基于S-N曲线的线性累积损伤分析

3．2．1 S-N曲线

3．2．2 损伤度及疲劳寿命计算

3．2．3 应力幅及相应循环次数的统计

3．2．4 疲劳车辆荷载

3．2．5 计算步骤

3．3 工程概况

3．4 某大跨径悬索桥疲劳开裂状况

3．5 有限元模型的建立和选取

3．5．1 计算模型简介

3．5．2 计算模型对比

3．6 本章小结

第4章 正交异性钢桥面板局部疲劳分析

4．1 基于常幅疲劳设计准则的分析

4．1．1 关注点裂纹产生的力学机理

4．1．2 关注点应力影响面

4．1．3 常幅疲劳分析

4．2 基于S-N曲线的线性累积损伤分析

4．2．1 模型车辆荷载谱

4．2．2 模型车辆荷载谱作用下关注点的应力时程

4．2．3 疲劳损伤度计算

4．2．4 15#U和8#U肋过焊孔疲劳损伤度计算

4．3 参数分析

4．4 本章小结

第5章 病害指标取值研究

5．1 现行评定标准

5．2 现行标准评定结果与维修措施的调研

5．3 基于专家经验法的桥梁状况评定

5．3．1 专家调查表的编制与发放

5．3．2 专家调查表结果分析方法

5．3．3 专家调查表结果分析实例

5．3．4 改进的技术状况评定

5．4 钢箱梁技术状况评定结果对比

5．4．1 钢箱梁改进的技术状况评定标准

5．4．2 评定结果对比

5．5 本章小结

第6章 大跨径钢箱梁悬索桥的养护与维修策略

6．1 主缆系统的养护及维修

6．1．1 主缆系统检查

6．1．2 主缆系统日常养护

6．1．3 主缆缠丝修复

6．1．4 主缆索股维修

6．1．5 主缆线形调整

6．1．6 鞍座病害维修

6．2 吊索系统的养护及维修

6．2．1 吊索系统检查

6．2．2 吊索系统日常养护

6．2．3 阼护套破损维修

6．2．4 索夹滑移恢复

6．2．5 吊索更换

6．3 锚碇的养护及维修

6．3．1 锚碇检查

6．3．2 锚碇病害维修

6．4 钢箱梁的养护及维修

6．4．1 钢箱梁检查

6．4．2 防腐涂层的养护和维修

6．4．3 疲劳开裂的修补

6．4．4 异常变形处理

6．4．5 高强螺栓更换

6．5 索塔的养护及维修

6．5．1 索塔的检查

6．5．2 索塔裂缝的维修

6．6 支座、桥面铺装及附属设施的养护及维修

6．6．1 支座的养护及维修

6．6．2 桥面铺装的养护及维修

6．6．3 附属设施的养护及维修

6．7 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

作者简介