大跨悬索桥复杂受力部位的疲劳裂纹分析与数值模拟

摘要

钢桥复杂受力部位在长期往复车辆荷载的作用下，往往会出现疲劳损伤的不断累积和疲劳裂纹的扩展，不仅会造成后期维修加固费用的浪费，而且可能在没有明显征兆的情况下引发结构连接部位的断裂破坏，危及结构安全运营。本文针对大跨悬索桥典型复杂受力部位（索梁锚固区、中央扣区域），研究了车辆荷载作用下相关连接构造的疲劳损伤机理，并对其疲劳寿命进行了评估，所完成的主要工作如下:
　　(1)建立了包含有限元模型、车辆荷载模型以及基于S-N曲线的疲劳寿命评估流程的面向疲劳状态评估的数值模型。利用通用有限元程序ANSYS建立了桥梁整体有限元模型和索梁锚固区、中央扣区域局部精细化模型，根据实测数据对桥梁整体有限元模型进行了校核，并基于子模型衔接整体模型和局部精细模型;通过桥梁收费系统的实测数据，建立了一个包含车辆类型、横向车道分布、轴重、轴距信息的精细化车辆荷载概率模型;结合有限元分析和车辆荷载概率模型，以及基于S-N曲线的疲劳寿命评估公式，给出概率有限元疲劳寿命评估流程。
　　(2)分析了索梁锚固区相关构造的疲劳开裂原因，并对其疲劳寿命进行了评估。通过对索梁锚固区开裂情况的统计分析，研究了斜顶板球扁钢加劲肋与承力板的连接、斜顶板与吊耳板连接的裂纹形态、分布特点及扩展规律。通过有限元分析，研究了索梁锚固区的传力特征，对应力集中区域的应力状态进行了分析，探讨了斜顶板加劲肋与承力板的连接、斜顶板与吊耳板连接的开裂原因;在此基础上，对索梁锚固区域相关应力集中区域进行了寿命评估;最后基于索梁锚固区受力特征，给出了索梁锚固区一种构造优化方案。
　　(3)分析了中央扣区域的受力特征，并对其相关构造细节的疲劳寿命进行了评估。通过有限元分析，研究了中央扣区域的受力特征，并对造成相关构造细节应力集中的原因进行了探讨;在此基础上，通过概率有限元分析，对中央扣区域的应力集中构造进行了寿命评估;最后基于中央扣受力特征，给出了中央扣区域一种构造优化方案。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．2 国内外研究进展与现状

1．2．1 钢桥疲劳问题的研究进展

1．2．2 钢桥疲劳寿命评估研究概况

1．2．3 疲劳车辆荷载模型

1．3 大跨悬索桥典型复杂受力部位研究现状

1．3．1 索梁锚固结构

1．3．2 中央扣结构

1．4 本文的主要研究内容

第二章 面向疲劳状态评估的数值模型

2．1 工程概况

2．2 有限元模型

2．2．1 桥梁整体模型

2．2．2 建模中的几个关键问题

2．2．3 整体模型模态分析

2．2．4 基于成桥静载试验的有限元模型验证

2．2．5 子模型方法

2．3 精细化车辆荷载概率模型

2．3．1 车辆荷载统计

2．3．2 精细化车辆荷载概率模型

2．4 基于概率有限元的疲劳寿命评估

2．4．1 基于S-N曲线的疲劳寿命评估公式

2．4．2 基于概率有限元的疲劳寿命评估流程

2．5 本章小结

第三章 索梁锚固区疲劳开裂分析

3．1 索梁锚固区的构造介绍

3．2 裂纹统计与分析

3．2．1 裂纹A的裂纹统计

3．2．2 连接B的裂纹统计

3．3 索梁锚固区受力特征与疲劳开裂机理分析

3．3．1 索梁锚固区整体受力特征

3．3．2 连接A应力分析

3．3．3 小开孔区域应力分析

3．4 基于概率有限元的疲劳寿命评估

3．5 索梁锚固区的构造优化

3．6 本章小结

第四章 中央扣受力特征及疲劳性能分析

4．1 中央扣构造

4．2 中央扣的局部精细模型

4．3 中央扣的受力特征

4．3．1 中央扣杆件受力特征

4．3．2 中央扣区域整体受力特征

4．3．3 中央扣的应力集中区域

4．4 基于概率有限元的疲劳寿命评估

4．5 小箱室横隔板失效对中央扣区域的影响

4．5．1 中央扣区域整体受力特征

4．5．2 小开孔区域应力分析

4．6 中央扣区域的构造优化

4．7 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 研究总结

5．1．1 建立面向疲劳状态评估的数值模型

5．1．2 索梁锚固区裂纹分布及疲劳开裂分析

5．1．3 中央扣受力特征及疲劳特性分析

5．2 研究展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文

致谢