大跨度公路悬索桥钢箱梁正交异性桥面板的静力行为与疲劳性能研究

摘要

正交异性钢桥面板具有轻质高强、承载能力大、安装速度快、适用范围广等优点，其焊接构造细节的结构行为和疲劳问题一直是现代钢桥正交异性板的研究重点，随着公路运营车辆、单车轴重及设计寿命期总运量的不断增加，焊接构造细节的疲劳开裂现象日趋严重。本文结合重庆江津中渡长江大桥主桥钢箱梁工程，对正交异性板的静力学行为和疲劳特性进行了较系统的研究，研究主要内容包括:
　　1、运用有限元分析方法，对公路桥梁正交异性钢桥面板的受力行为进行研究。研究表明:焊接构造细节主要承受第二体系与第三体系作用力的影响，具体表现为整体横向弯曲作用、整体横向剪切作用、局部竖向支撑作用以及横隔板局部拉扯作用，并且讨论了上述作用对不同焊接构造细节的影响程度，得到了整体剪切作用与局部支撑作用是各构造细节应力行为的主导因素的结论;借助有限元方法提取了不同构造细节的应力影响面，并对车辆荷载位于不同车道位置时对不同构造细节的应力影响程度进行了综合分析。
　　2、对正交异性板结构焊接构造细节的热点应力计算理论方法进行研究，详细分析了单元类型、网格精度以及外推方法对计算热点应力结果的影响，完善了正交异性板，结构焊接构造细节的热点应力法分析过程;推荐采用二次实体单元进行建模，且应尽量提高网格精度以降低计算结果的离散程度。通过足尺模型试验，验证了热点应力分析方法的准确性与可靠性，并分别对承受支撑作用与剪切作用的加劲肋构造细节的受力特性进行了研究。
　　3、通过资料调研、有限元分析、概率模型数值模拟等方法，对公路钢结构桥梁的车辆荷载空间分布、疲劳横向概率系数以及公路交通荷载特征参数等进行研究，编写了公路疲劳荷载谱的Monte Carlo模拟程序，提出了一种适用于西南地区公路钢结构桥梁OSD结构疲劳验算的疲劳荷载谱模型;分别采用所提出的疲劳荷载谱模型与JTG-D64规范疲劳荷载模型对不同跨度简支梁桥梁底的跨中弯曲疲劳应力进行计算，对比分析两种荷载谱模型的疲劳效应。研究表明:公路钢桥OSD构造细节的应力疲劳横向概率系数可取为0.9;由于等效损伤系数γ取值的限制，导致单车道车流量小于5×108次时，采用JTG-D64规范疲劳荷载模型得到的等效应力较大，而当单车道车流量超过5×108时，采用基于参数控制法的疲劳荷载谱数值模型得到的等效应力较大。
　　4、通过针对重庆江津中渡长江大桥正交异性板焊接构造细节进行的足尺疲劳模型试验表明:加劲肋腹板与横隔板切口焊接构造处出现萌生于焊趾并沿加劲肋腹板纵向扩展的疲劳裂缝;加劲肋与顶板焊接构造处出现纵向疲劳裂缝;横隔板切口处存在较大的主应力分布，但并无疲劳裂缝产生;受焊接残余应力的影响，压应力循环作用区域仍会产生疲劳开裂;采用热点应力法与缺口应力法对疲劳开裂构造进行评估，以测点应力突变作为焊接构造细节疲劳失效判据，得出加劲肋腹板与横隔板切口焊接构造细节的疲劳等级大于Eurocode规范中的90类细节的疲劳强度，顶板与加劲肋腹板焊接构造细节的疲劳强度大于ⅡW规范中FAT225类疲劳强度，横隔板切口构造细节可划分为Eurocode规范中的140类细节。
　　5、通过对多车道公路钢桥的疲劳多车道系数的研究，提出了基于Monte Carlo法的疲劳多车道系数计算方法，并分别采用一般概率法、JTG-D64规范公式法与MonteCarlo法三种方法对公路钢桥OSD构造细节的疲劳多车道系数进行计算，讨论了各种方法的优劣，并且对疲劳多车道系数的影响参数进行了研究:最终得出结论将公路钢桥OSD顶板焊接构造细节的疲劳多车道系数取为1.0，加劲肋腹板焊接构造细节的疲劳多车道系数取为1.2，横隔板切口构造的疲劳多车道系数取为1.5。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 正交异性桥面板的发展与应用现状

1．2 选题的背景及意义

1．2．1 研究背景

1．2．2 研究意义

1．3 钢结构疲劳研究进展与现状

1．3．2 疲劳评估理论研究现状

1．3．3 正交异性桥面板构造细节疲劳性能研究现状

1．3．4 公路桥梁疲劳荷载谱研究进展

1．4 本文的主要研究工作

第2章 公路宽幅钢箱梁OSD结构整体受力特性分析

2．1 引言

2．2 空间板壳元仿真分析模型

2．2．1 原桥结构空间布置特性

2．2．2 空间有限元模型

2．3 基于结构变形的OSD构造细节受力特性分析

2．3．1 顶板焊接构造

2．3．2 加劲肋焊接构造

2．3．3 横隔板切口构造

2．4 移动荷载横向位置对公路钢桥OSD构造细节应力状态影响分析

2．4．1 顶板应力状态影响分析

2．4．2 加劲肋腹板应力状态影响分析

2．4．3 横隔板切口应力状态影响分析

2．5 本章小结

第3章 OSD焊接构造细节热点应力计算参数研究及足尺模型静载试验验证

3．1 引言

3．2 OSD焊接构造细节热点应力计算方法影响参数分析

3．2．1 热点应力外推方法

3．2．2 焊接构造细节实体子模型的建立

3．2．3 线性实体单元分析

3．2．4 二次实体单元分析

3．2．5 热点应力计算方法影响参数分析

3．3 OSD焊接构造细节缺口应力计算方法影响参数分析

3．4 数值模拟方法的试验验证

3．4．1 试验模型设计

3．4．2 试验模型测点布置

3．4．3 有限元模型的建立

3．5 静力试验结果分析

3．5．1 挠度数据测试结果

3．5．2 剪切作用加劲肋数据分析

3．5．3 支撑作用加劲肋数据分析

3．6 本章小结

第4章 基于参数控制法的西南地区公路桥梁疲劳荷载研究

4．1 引言

4．2 移动荷载车道分配研究

4．3 公路钢桥OSD构造细节疲劳横向概率系数分析

4．3．1 疲劳横向概率系数分析理论

4．3．2 疲劳横向概率系数公式推导

4．3．3 公路钢桥OSD构造细节疲劳横向概率系数的数值仿真分析

4．4 公路车辆荷载调查研究

4．5 基于参数控制法的公路桥梁疲劳荷载的Monte Carlo模拟

4．5．1 基本原理及程序化实现

4．5．2 理论模型与数值模拟对比分析

4．6 基于参数控制法的公路疲劳车辆荷载等效性分析

4．6．1 D64疲劳荷载模型计算研究

4．6．2 基于参数控制法的疲劳荷载模型计算研究

4．6．3 计算结果对比分析

4．7 本章小结

第5章 公路桥梁疲劳验算及足尺疲劳试验研究

5．1 引言

5．2 重庆江津中渡长江大桥OSD构造细节疲劳验算

5．2．1 设计寿命内总交通量的计算

5．2．2 OSD构造细节应力影响线

5．2．3 OSD构造细节应力频值谱的计算

5．2．4 足尺试验模型等效加载次数的确定

5．3 顶板与加劲肋腹板焊接构造细节疲劳性能分析

5．3．1 顶板与加劲肋腹板焊接构造细节应力实测结果

5．3．2 顶板与加劲肋腹板焊接构造细节疲劳性能评估

5．4 加劲肋腹板与横隔板焊接构造细节疲劳性能分析

5．4．1 加劲肋腹板与横隔板焊接构造细节应力实测结果

5．4．2 加劲肋腹板与横隔板切口焊接构造细节疲劳性能评估

5．5 横隔板切口构造细节疲劳性能分析

5．5．1 横隔板切口边缘构造细节应力实测结果

5．5．2 横隔板切口焊接构造细节疲劳性能评估

5．6 本章小结

第6章 公路桥梁疲劳多车道系数计算理论研究

6．1 引言

6．2 多车道系数研究方法

6．2．1 一般概率法

6．2．2 D64规范公式法

6．2．3 基于Monte Carlo法的多车道系数计算理论研究

6．3．1 一般概率法

6．3．2 D64规范公式法

6．3．3 基于Monte Carlo法的多车道系数计算方法

6．3．4 三种疲劳多车道系数计算方法对比分析

6．4 本草小结

结论与展望

主要研究内容及结论

有待进一步研究的问题

致谢

参考文献

攻读博士期间发表的论文及参加的科研项目