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钢-UHPC轻型组合桥面板中短栓钉的静力及疲劳性能研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 轻型组合桥面板的提出与研究现状

1.1.1 钢桥面板疲劳病害问题与成因

1.1.2 桥面铺装病害

1.1.3 超高性能混凝土的研究

1.1.4 轻型组合桥面板的概念与研究现状

1.2 剪力连接件的发展与研究现状

1.2.1 剪力连接件的分类

1.2.2 剪力连接件承载力的研究现状

1.2.3 剪力连接件疲劳问题的研究

1.3 文章研究的意义与主要内容

1.3.1 课题研究的目的与意义

1.3.2 课题研究的主要内容

第2章 短栓钉静力受力特性研究

2.1 栓钉连接件的基本要求

2.1.1 栓钉抗剪承载力要求

2.1.2 栓钉的抗掀起要求

2.2 推出试验有限元模型的建立

2.2.1 有限元软件的选取

2.2.2 材料本构关系

2.2.3 单元类型的选取

2.2.4 试件模型尺寸形式

2.2.5 界面接触的模拟

2.2.6 网格尺寸的划分

2.2.7 非线性求解

2.3 有限元模型的验证

2.4 短栓钉的应力场的分布和变形分析

2.4.1 应力分析

2.4.2 变形及相对滑移关系

2.5 承载力影响因素分析

2.5.1 短栓钉直径的影响

2.5.2 短栓钉高度的影响

2.5.3 钢-UHPC交接面摩擦作用的影响

2.5.4 混凝土强度的影响

2.6 本章小结

第3章 短栓钉疲劳寿命评价方法与疲劳抗力的研究

3.1 疲劳破坏基本概念

3.2 抗剪连接件的经典疲劳寿命计算公式

3.2.1 计算模型

3.2.2 英国规范BS5400采用的疲劳寿命计算公式

3.2.3 AASHTO美国公路桥梁设计规范采用的疲劳寿命计算公式

3.2.4 欧洲规范4采用的疲劳寿命计算公式

3.2.5 其他计算公式

3.3 短栓钉在经典疲劳寿命计算方法中的适用性分析

3.4 栓钉疲劳破坏机理分析与评价指标的确定

3.4.1 经典疲劳计算公式的不足

3.4.2 栓钉疲劳破坏机理分析

3.5 栓钉疲劳寿命评价方法的确定

3.6 基于主应力的栓钉疲劳抗力的确定

3.6.1 有限元模型的建立

3.6.2 考虑焊缝栓钉的受力

3.6.3 短栓钉疲劳抗力的确定

3.7 本章小结

第4章 短栓钉的疲劳寿命评价

4.1 名义应力法评价疲劳寿命基本理论

4.1.1 名义应力评价疲劳寿命的总流程

4.1.2 雨流法和泄水法的应用

4.1.3 线性损伤累积模型

4.2 标准疲劳车荷载的确定

4.2.1 英国BS5400规范

4.2.2 美国AASHTO规范

4.2.3 欧洲Eurocode1疲劳规范

4.2.4 公路钢结构桥梁设计规范

4.3 有限元模型的设计与建立

4.3.1 正交异性组合桥面板模型的建立

4.3.2 边界荷载条件与界面接触模拟

4.3.3 疲劳易损位置的选取

4.4 应力历程的分析与寿命的评价

4.4.1 1#位置应力谱的统计

4.4.2 2#位置应力谱的统计

4.4.3 3#位置应力谱的统计

4.4.4 疲劳应力幅及寿命对比分析

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间参与的科研项目

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摘要

钢-UHPC轻型组合桥板通过栓钉将钢结构和UHPC层组合成一个整体,在提高钢桥面板刚度的同时自重也得到了很好地控制,可以有效的解决钢结构和铺装层疲劳病害的问题。UHPC层的厚度一般在50mm左右,为了满足保护层厚度的要求,栓钉的高度受到了严格的限制,其长径比通常小于4,属于典型的短栓钉。同时,由于UHPC的力学性能与普通混凝土存在显著差异,其破坏模式、承载力及疲劳特性均区别于普通混凝土组合结构中的传统栓钉,但当前相关研究仍较为欠缺。为研究短栓钉在轻型组合桥面板中的静力和疲劳性能,进行了以下研究工作:
  (1)回顾总结了正交异性刚桥面板的疲劳病害和成因以及传统铺装层的病害和原因,介绍了UHPC的力学参数、钢-UHPC轻型组合桥面板的概念与研究现状以及其中适用的剪力连接件。
  (2)借助ABAQUS软件,对短栓钉进行了非线性有限元分析。通过对短栓钉的变形和应力分布的分析表明栓钉并非是纯剪状态,而是处于受弯、受剪、受拉的复杂应力状态。另外,通过与普通栓钉作对比得出结论:短栓钉的变形与应力分布和普通栓钉基本一致,但是抗剪效率更高,承载力满足要求。
  (3)通过对短栓钉承载力影响因素的分析,研究表明栓钉的直径、混凝土强度是影响其承载力和抗剪刚度的关键因素,而栓钉的高度对其承载力和抗剪刚度影响较小。同时,钢UHPC之间的界面摩擦对承载力有一定影响,但是对抗剪刚度影响显著,界面摩擦可以使得抗剪刚度提高16%左右。
  (4)对于短栓钉的疲劳试验数据进行了统计分析,并与规范以及其他经典疲劳计算公式进行了对比研究。研究结果表明:现有的疲劳公式对短栓钉不再适用,基于此,文章提出了基于主应力而非剪应力的指标来评价短栓钉的疲劳性能,并确定了其疲劳抗力为FAT90。
  (5)建立梁式有限元模型并确定短栓钉结构的疲劳易损位置和细节,通过名义应力法评价其疲劳性能。研究表明短栓钉的疲劳寿命满足设计要求。

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