正交异性钢桥面板疲劳性能与疲劳裂缝修复方法研究

摘要

正交异性钢桥面板具有承载力高、自重轻、便于施工等优点，解决了桥梁结构自重、承重和跨径之间的矛盾，被广泛应用于大跨度桥梁中。随着我国经济的发展，公路交通量的增加，桥梁承受的车辆作用次数越来越多，荷载也越来越大，正交异性钢桥面板桥梁出现疲劳开裂的现象频繁出现，不仅降低了桥面板的承载力，也缩短了桥梁的使用寿命，成为大跨度桥梁典型的问题。U肋-顶板焊缝裂缝是正交异性钢桥面板常见的一种疲劳裂缝，目前对于这种疲劳裂缝的研究，多集中于单个小尺寸试件，但实际上桥面板疲劳开裂后应力发生重分布，开裂后小尺寸试件的疲劳性不能反映实际结构中桥面板U肋-顶板焊接处的疲劳性能。另外，实际使用中出现疲劳裂缝的桥面板需要进行修复，目前的疲劳裂缝修复方法比较单一，缺乏多种方法组合进行修复的研究。因此，深入开展正交异性钢桥面板疲劳性能及疲劳裂缝修复方法的研究具有重要意义。本文结合国家基础性项目（973项目）“特大跨桥梁安全性设计与评定的基础理论研究”的子课题“多因素作用下特大跨桥梁性能演化特征”（2015CB057703），开展了多尺寸（长度）正交异性钢桥面板疲劳性能与疲劳裂缝修复方法的研究。本文主要研究内容和结论如下： （1）参照某桥桥面板尺寸制作了5组32个不同长度的疲劳试验试件，对试件进行有限元分析明确了荷载下试件的应力分布，确定了应变监测位置，制定了疲劳试验方案。 （2）对桥面板试件进行了疲劳试验，研究了试件疲劳裂缝扩展、刚度退化、疲劳寿命和断口形貌。研究表明，试件疲劳裂缝的产生和扩展分4个阶段，即裂缝萌生、裂缝宏观扩展、裂缝贯穿板厚和疲劳断裂；随着疲劳加载次数的增加，试件刚度逐渐降低，当试件刚度退化率达0.1时，试件剩余寿命约为总疲劳寿命的20%；将疲劳试验结果与规范的S-N曲线比较，证明规范抗疲劳设计公式是保守的；根据试件长度建立了L-S-N曲线；试件疲劳断口均为平断口，分为疲劳源区、疲劳裂缝稳定扩展区和瞬时断裂区，开裂位置的应力幅越小则循环次数越多且瞬断区面积越小。 （3）分析现有修复方法的优缺点，选取3种合适的修复方法，制定6种修复方案修复所有开裂的试件，根据疲劳试验方案，制定了修复后试件的疲劳试验方案。 （4）对修复的疲劳开裂试件进行试验，研究了修复试件的疲劳破坏形态、刚度退化情况和疲劳寿命。研究表明，与修复前完好的试件在主裂缝出现后还有较长的疲劳寿命不同，修复后的试件在主裂缝出现后很快就丧失了承载力，同时修复后的试件更容易在主裂缝出现之前出现次要裂缝；在疲劳加载前期，修复后试件的刚度退化速率快于修复前，刚度退化率达到0.1以后，修复前试件刚度的退化速率开始明显加快，大部分试件修复后的最终刚度退化率低于修复前；在采用的6种修复方案中，组合使用上补强钢板与倾斜下补强钢板的修复方案（方案四）效果最好，而组合采用裂缝焊合法与倾斜下补强钢板的方案（方案五）修复效果最差。

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摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 选题背景和研究意义

1.2 正交异性桥面板疲劳性能国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 正交异性钢桥面板修复技术国内外研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 疲劳裂缝修复方法

1.4.1 角撑板补强法

1.4.2 裂缝焊合法

1.4.3 钢板补强法

1.4.4 SPS补强法

1.4.5 止裂孔法

1.4.6 裂缝冲击闭合技术（ICR）

1.4.7 粘贴或栓接弯曲成型钢板

1.5 目前研究存在的问题

1.6 本文的研究内容

2 正交异性钢桥面板疲劳性能试验研究

2.1 概述

2.2 试验方案

2.2.1 试件概况

2.2.2 加载装置

2.2.3 测点布置

2.2.4 加载方案

2.2.5 观测内容

2.3 试件疲劳开裂形态

2.3.1 试件破坏形态

2.3.2 疲劳裂缝扩展阶段划分

2.4 疲劳裂缝扩展

2.4.1 主疲劳裂缝扩展

2.4.2 板内疲劳裂缝扩展

2.5 刚度退化

2.5.1 刚度退化率与荷载循环次数

2.5.2 刚度退化率与裂缝长度

2.6 疲劳寿命分析

2.6.1 疲劳寿命汇总

2.6.2 疲劳寿命与规范设计曲线对比

2.6.3 S-N曲线

2.6.4 L-S-N曲线

2.7 疲劳断口分析

2.7.1 疲劳断口宏观分析

2.7.2 疲劳断口微观分析

2.8 本章小结

3 疲劳裂缝修复试验研究

3.1 概述

3.2 试验方案

3.2.1 修复方法优劣对比

3.2.2 修复方案

3.2.3 测点布置

3.2.4 加载方案

3.2.5 观测内容

3.3 试件修复前后破坏形态

3.3.1 方案一修复的试件

3.3.2 方案二修复的试件

3.3.3 方案三修复的试件

3.3.4 方案四修复的试件

3.3.5 方案五修复的试件

3.3.6 方案六修复的试件

3.4 修复前后刚度退化率对比

3.4.1 方案一修复的试件

3.4.2 方案二修复的试件

3.4.3 方案三修复的试件

3.4.4 方案四修复的试件

3.4.5 方案五修复的试件

3.4.6 方案六修复的试件

3.5 修复前后疲劳寿命对比

3.5.1 方案一修复的试件

3.5.2 方案二修复的试件

3.5.3 方案三修复的试件

3.5.4 方案四修复的试件

3.5.5 方案五修复的试件

3.5.6 方案六修复的试件

3.6 各修复方案修复效果对比

3.7 本章小结

4 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参 考 文 献

致 谢

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