正交异性闭口加劲钢桥面板力学及疲劳性能研究

摘要

斜拉桥、悬索桥是目前大跨径桥梁的主要桥型，钢箱梁是其主要的桥面结构体系。现代意义的钢箱梁均采用正交异性钢桥面板结构，即在桥面板的底面用纵肋和横肋作补强，它作为加劲梁、横肋、纵肋的组合体而发挥作用，是一种效率很高的结构。横隔梁、纵肋在垂直方向互相交织，形成网络状承重结构物，与上部的钢板共同称为正交异性钢桥面板。由于构造的多样性及复杂性，其力学性能及疲劳问题一直受到工程技术人员的关注。 正交异性钢桥面板自二战后问世以来，因自重轻，极限承载力大，高度低，易于加工制造，施工周期短等优点，已被欧洲、日本等国家广泛使用在大、中跨度桥梁中。上个世纪末，随着正交异性钢桥面板理论的不断成熟和施工工艺的提高，美国等国家也开始越来越多的应用正交异性钢桥面板。自20世纪80年代以来，正交异性闭口加劲钢桥面板在我国得到了迅速发展，特别是我国近年来众多大跨度长江大桥的建造，更是促进了正交异性闭口加劲钢桥面板的发展和应用。 桥面在各种车辆荷载反复作用下引起的累积损伤；同时钢桥面板由于直接受车辆的局部作用，应力影响线短，一辆车驶过会引起数次应力循环，加上焊接节点的应力集中和难免的焊接缺陷，钢桥面板易于疲劳开裂，英、德、荷、法、比、日等国家钢桥面板应用较早的一些国家已在实桥中发现了疲劳裂纹。欧美等国家对钢桥疲劳破坏实例的广泛研究表明对钢桥特别是正下交异性钢桥面板进行疲劳验算是一项很重要的任务。它涉及到正交异性钢桥面板的结构分析、应力计算、疲劳强度、车辆荷载谱、疲劳验算方法等关键问题。 本文以大、中跨度桥梁中广泛使用的正交异性钢桥面板为研究对象，开展对正交异性闭口加劲钢桥面板的受力性能和疲劳性能分析，研究闭口加劲正交异性钢桥面板变形和应力状态，并比较不同截面形状的闭口加劲肋及横隔板缺口形式对正交异性桥面板板力学及疲劳性能的影响，为我国正交异性钢桥面板设计提供理论依据。 正交异性钢桥面板结构体系桥面顶板、纵向加劲肋和横隔板的连接处力学性能复杂，是结构容易产生疲劳裂纹非常敏感的位置，纵向加劲肋的截面形状和横隔板的缺口类型是连接处应力分布极为重要的影响因素。 本文以不同截面形状的闭口加劲肋及不同横隔板缺口形式建立正交异性钢桥面板有限元分析模型，研究分析其力学性能及疲劳性能。 本文的主要研究内容如下： (1)研究正交异性钢桥面板结构体系纵向加劲肋、横隔板、顶板三者连接处的应力状态； (2)研究不同截面形状的纵向加劲肋及横隔板(或横梁)中不同缺口形式对正交异性钢桥面板结构体系连接细节处力学性能的影响； (3)研究不同截面形状的纵向加劲肋及横隔板(或横梁)中不同缺口形式对正交异性钢桥面结构体系力学疲劳性能的影响； (4)研究桥面铺装层弹性模量和铺装层厚度的改变对桥面板力学性能及疲劳性能的影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1问题的提出和研究意义

1.2正交异性钢桥面板发展概况

1.3正交异性钢桥面板研究概况

1.4本文研究的主要内容

2正交异性闭口加劲钢桥面板受力分析

2.1概述

2.2有限元分析基本参数和模型

2.2.1正交异性闭口加劲钢桥面板分析模型

2.2.2荷载条件

2.2.3基本假设和边界条件

2.3正交异性钢桥面板最不利荷位的确定

2.3.1正交异性钢桥面板横桥向最不利荷位分析

2.3.2正交异性钢桥面板纵桥向最不利荷位分析

2.4.横隔板缺口形式及纵向加劲肋形状对正交异性钢桥面板影响

2.4.1横隔板不同缺口形式对正交异性钢桥面板的影响

2.4.2纵向加劲肋不同截面形状对正交异性钢桥面板的影响

2.5正交异性钢桥面板、纵肋、横隔板三者连接处的应力状态

2.6本章结论

3正交异性闭口加劲钢桥面板疲劳分析

3.1钢桥疲劳分析基本理论

3.1.1疲劳验算采用的荷载及加载方式

3.1.2疲劳分析方法

3.2有限元分析基本参数和模型

3.2.1正交异性闭口加劲钢桥面板分析模型

3.2.2 16Mnq低合金钢疲劳设计曲线

3.2.3基本假设和边界条件

3.2.4荷载条件

3.3有限元计算结果及分析

3.3.1单轮疲劳荷载下正交异性钢桥面板疲劳性能的研究

3.3.2移动疲劳荷载对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响

3.4本章结论

4钢桥面铺装层对正交异性闭口加劲钢桥面板力学及疲劳性能的影响

4.1概述

4.2带铺装层的正交异性钢桥面板有限元计算模型

4.2.1基本假设

4.2.2有限元计算模型

4.2.3基本假设和边界条件

4.2.4计算荷载

4.3有限元计算结果及分析

4.3.1有限元静力分析及计算结果分析

4.3.2单轮疲劳荷载作用下有限元分析

4.4本章结论

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间发表的论文