基于实测应变的正交异性钢桥面板构造细部疲劳寿命评估

摘要

正交异性钢桥面板因其优越的结构形式在我国大跨桥梁结构中得到越来越广泛的应用。正交异性钢桥面板受力复杂，构造形式多变，加上焊接节点的应力集中和不可避免的焊接缺陷，桥面板易于发生疲劳破坏。目前，关于疲劳损伤的力学机理和计算分析已有不少这方面的文献出现，但由于正交异性钢桥面板的复杂性，这方面的研究工作开展得不是很多，且研究多集中于利用有限元手段分析构件的应力分布和应力大小，正交异性钢桥面板的疲劳试验相对缺乏。随着人们对钢桥面板的构造细节认识的不断深入，对新出现的构造细节进行有针对性的疲劳性能分析是必要的。为了探明正交异性钢桥面板的构造细部疲劳损伤特性，需进行构造细节疲劳性能的试验研究；同时结合有限元分析手段，对影响构造细节疲劳性能的主要因素进行分析，对实际桥梁的构造细节疲劳性能提供一些参考意见和分析方法。本文基于实测应变和有限元分析方法，对正交异性钢桥面板构造细部疲劳寿命评估进行了研究，主要研究内容和成果如下：
　　 疲劳试验过程中，应变和外加荷载基本上呈线性关系；当循环次数增加时，应变随荷载增加的速度逐渐有所降低，曲线渐趋于平缓。在疲劳试验的最后阶段因为断裂引起的应力释放，曲线开始部分下降。试件在纵肋与顶板焊缝连接处外侧的顶板与纵肋的损伤发展较大，尤其是外侧的顶板部分，而顶板的内侧则无明显的损伤。
　　 正交异性钢桥面板模型的纵肋与横隔板的连接焊缝处是容易发生疲劳破坏的位置，同实际桥梁的疲劳破坏相一致；纵肋与盖板焊接位置的破坏多发生于盖板的母材内。本文试验的疲劳寿命结果及相关参考文献试验结果表明，纵肋与横隔板焊接部位疲劳寿命离散性很大，与评估应力幅的定义和施工质量的等级密切相关。该类构造的疲劳等级建议划分为疲劳抗力最低的G级或W级；建议横隔板腹板孔边缘部位在设计过程中可以采用BS5400中的C类曲线，纵肋与盖板焊接部位可采用英国桥规BS5400的D类曲线。
　　 以钢材残余应变的增加定义损伤变量，用分段函数的形式建立了疲劳累积损伤的公式。提出用自然对数函数来描述疲劳发展第二阶段的疲劳损伤发展，该累积损伤公式在反映疲劳损伤时具有一定的精度。
　　 对于形状复杂难以明确地定出名义应力的焊接接头，其疲劳寿命用名义应力进行表示，结果分散性很大；热点应力考虑的主要是线性范围内的应力，研究了三种方法来求热点应力：以距离热点0.5t和1.5t为参考点进行线性外推(各船级社推荐)；以距离热点0.4t和1.0t为参考点进行线性外推(国际焊接学会ⅡW推荐)；直接取距离热点0.5t处的应力作为热点应力。
　　 采用外推法或取距离热点(焊趾)一定距离得到的热点应力，就可以避开由于焊缝形状、切口等因素引起的非线性峰值。应用热点应力分析的方法，通过外推得到焊趾附近的热点应力值，对正交异性钢桥面板的纵肋与盖板的焊接部位进行疲劳寿命评估。结果与中国铁路桥梁钢结构设计规范中的母材的抗疲劳设计曲线比较接近，因此，采用热点应力的方法对该类细节进行疲劳寿命的评估。
　　 在行车方向上，轮载位于纵肋跨中时，纵肋的下端应力达到最大值；轮载位于离横隔板约1/6跨度处，横隔板与纵肋焊缝位置处的应力达到最大值。在垂直于行车方向上，轮载中心线位于纵肋与盖板焊接位置处，横隔板与纵肋焊接位置应力达到最大值。横隔板上应力集中点位于孔边缘附近或者是横隔板与纵肋焊接位置，该处也是容易发生疲劳破坏的位置。解决该点疲劳问题是解决桥梁疲劳破坏的重要内容。同一车道或不同车道的多辆车行驶不会对某一部位的应力幅产生明显的叠加效应，钢桥面板的疲劳验算可不考虑多车效应。
　　 实桥实测数据分析表明，日应力谱和标准日应力谱分布具有相似规律，应变传感器记录的数据量很大，计算机常常由于硬件限制无法对长时间段的数据进行处理。研究表明在计算实桥钢桥面板构造细节疲劳寿命时，利用本文的“标准日应力谱”方法可较好地解决此问题。
　　 最后对全文做了总结，提出焊接构造细节疲劳方面有待进一步研究的问题。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1研究意义

1.2研究现状

1.2.1正交异性钢桥面板研究现状

1.2.2热点应力方法的研究现状

1.2.3疲劳寿命预测方法研究现状

1.3本文研究内容

第二章 钢桥面板疲劳试验研究

2.1引言

2.2试件设计

2.2.1试件材料

2.2.2试件形式及尺寸

2.2.3试件的加工

2.3应变片布置方案

2.4测试内容及试验装置

2.4.1测试内容

2.4.2试验装置

2.5试验方案

2.5.1 GL1、GL2试件

2.5.2 JD1、JD2试件

2.6静载试验

2.7疲劳试验

2.7.1试验现象

2.7.2疲劳寿命

2.7.3应变

2.8本章小结

第三章 基于实测残余应变的焊接构造细节疲劳累积损伤研究

3.1疲劳累积损伤概述

3.2疲劳损伤模型的提出

3.2.1损伤变量的定义

3.2.2疲劳损伤变量的计算

3.2.3疲劳损伤公式的建立

3.2.4疲劳损伤公式的验证

3.3本章小结

第四章 钢桥面板构造细节应力集中的有限元分析

4.1引言

4.2 JD1有限元分析

4.3 JD2有限元分析

4.4 GL1有限元分析

4.5本章小结

第五章 实桥钢桥面板疲劳寿命预测研究

5.1疲劳寿命预测研究

5.2正交异性钢桥面板的疲劳分析

5.2.1苏通大桥

5.2.2江阴大桥

5.2.3青马大桥

5.2.4杨浦大桥

5.3本章小结

第六章 结论与展望

6.1主要结论和成果

6.2展望

参考文献