桥梁钢疲劳与断裂性能研究

摘要

钢桥具有自重轻,跨越能力好,施工工期短,可回收利用等诸多优点,在近年来随着材料及建造技术的发展和进步被广泛地采用。而疲劳作为钢桥常见问题尚未得到彻底解决,近年来钢结构脆断的实例也时常发生。因此,研究桥梁用结构钢的疲劳断裂韧性具有重要的工程意义。
　　在总结分析国内外研究方法的基础上,为深入研究桥梁用结构钢的疲劳和断裂性能,本文总结了桥梁用结构钢的化学成分及基本力学性能,并按照现行相关国家标准的规定,对具有代表性的兰州中山桥百年钢材及高性能钢HPS485W进行了裂纹扩展速率试验、夏比冲击试验、裂纹尖端张开位移CTOD试验、延性断裂韧度JIC试验和带孔缩尺试样的拉伸疲劳试验。总结桥梁钢16Mn、16Mnq、Q370qE、Q390E、14MnNbq、Q420qE钢和国产高性能桥梁钢Q500qE已有的研究成果。研究不同桥梁钢的疲劳与断裂性能,为钢桥抗疲劳、防断裂设计及旧桥的剩余寿命评估提供依据,并从疲劳与断裂性能的角度分析桥梁结构钢的发展过程。
　　本文采用紧凑拉伸C(T)试样对兰州中山桥百年钢材和高性能钢HPS485W进行了裂纹扩展速率试验,用Paris公式描述两种钢材稳速扩展区的裂纹扩展规律,研究了试样厚度和应力比对裂纹扩展速率的影响。试验结果表明,厚度对裂纹扩展速率有一定影响,裂纹扩展速率随着应力比的增大而增大。几种桥梁钢抵抗裂纹扩展的能力从大到小依次为Q500qE、16Mnq、HPS485W,14MnNbq,兰州中山桥百年钢材,小凌河桥钢。
　　本文通过系列温度下的夏比冲击试验确定兰州中山桥百年钢材及HPS485W的冲击韧性,并用Boltzmann函数式求解材料的韧脆转变温度。HPS485W和老钢的韧脆转变温度分别为-72.8和-23.2℃。几种桥梁钢冲击韧性的优劣依次为Q500qE钢、HPS485W钢、14MnNbq钢、兰州中山桥百年钢、16Mnq钢和小凌河旧桥老钢。
　　通过基于断裂力学方法的裂纹尖端张开位移CTOD和延性断裂韧度JIC试验来确定HPS485W的断裂韧性,结果表明,HPS485W的断裂韧性很好,钢板垂直于轧制方向的断裂性能优于平行于轧制方向。几种钢材的断裂韧性优劣顺序为Q390E、14MnNbq、Q500qE、Q370qE、16Mnq。
　　通过拉伸作用下的疲劳试验,得出兰州中山桥百年钢材的疲劳性能高于AASHTO规范中的B类和BS5400的D类细节,与EUROCODE中的140类细节相当。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2 研究背景及意义

1.3 国内外的研究现状

1.4 本文研究内容

第二章 基本力学性能

2.1 化学成分

2.2 材料强度

2.3 本章小结

第三章 裂纹扩展速率da/dN

3.1基本原理

3.2 HPS 485W裂纹扩展速率试验

3.3 兰州中山桥百年钢材裂纹扩展速率试验

3.4 小凌河桥老钢的裂纹扩展速率

3.5 14MnNbq钢的裂纹扩展速率

3.6 16Mnq及Q500qE钢的裂纹扩展速率

3.7本章小结

第四章 冲击韧性

4.1 兰州中山桥百年钢材材夏比冲击试验

4.2 小凌河旧桥老钢的冲击韧性

4.3 16Mnq钢和14MnNbq钢的冲击韧性

4.4 HPS 485W钢的冲击韧性

4.5 Q500qE钢的冲击韧性

4. 6 本章小结

第五章 裂纹尖端张开位移CTOD

5.1基本原理

5.2 HPS 485W裂纹尖端张开位移试验

5.3 小凌河旧桥老钢的断裂韧性

5.4 16Mnq钢和14MnNbq钢的断裂韧性指标

5.5 Q370qE和Q420qE钢的CTOD断裂韧性指标

5.6 16Mn钢和Q390E钢的断裂韧性

5.7 Q500qE裂纹尖端张开位移

5.8本章小结

第六章 延性断裂韧度JIC

6.1 基本原理

6.2 HPS 485W 延性断裂韧度JIC试验

6.3 16Mn钢和Q390E钢的延性断裂韧度

6.4 本章小结

第七章 铆接细节的疲劳性能

7.1 试样的制备

7.2 试验设备

7.3 试验过程

7.4 已有的研究成果

7.5本章小结

结论与建议

结论

建议

参考文献

致谢