多轴荷载下钢桁梁整体节点疲劳性能试验研究

摘要

主跨1700m的武汉杨泗港长江大桥是国内目前在建的最大跨径的钢桁梁双层公路悬索桥，钢桁梁节点采用焊接整体节点技术，由于焊接整体节点板构造与受力状态复杂，对其进行多轴荷载下钢桁梁整体节点疲劳试验，评估桥梁服役期节点抗疲劳性能是十分必要的。国内外尚未见到开展这样的模型试验，更多的是采用桁架式加载方式，加载模式与实际状况存在较大差异。本文以武汉杨泗港长江大桥为工程背景，对其关键节点进行了多轴荷载下的疲劳性能试验，并将其与有限元模拟分析结果进行了对比，取得了以下成果：　　（1）利用大型有限元软件 Midas/Civil建立武汉杨泗港长江大桥全桥三维有限元模型，对该模型进行疲劳加载，对武汉杨泗港长江大桥钢桁梁节点的受力性能进行分析，得到了全桥最不利节点为138号节点，其位于距桥中心-657m距离处；　　（2）根据设计交通量，选取标准疲劳车，计算各车道产生的节点各轴的内力幅值和相应的作用次数，然后基于Miner理论，将上述计算得到的幅值换算成当循环200万次时对应的幅值。根据实验室试验设备、场地以及试验效果确定武汉杨泗港长江大桥钢桁梁整体节点疲劳试验模型的缩尺比例为1:6，按照相似原理，确定节点各轴的试验加载值。通过大型有限元软件Ansys Workbench进行该整体节点的疲劳性能分析，发现节点主体部位的最大应力发生在左侧斜腹杆与上弦杆之间的位置，最大值为155.6MPa，小于Q345qD钢材的屈服强度，属于安全范围，同时其疲劳寿命云图均为红色，可知138号整体节点缩尺试验模型的最小寿命大于200万次，符合设计要求，最后求解得到的最低安全系数为1.0992>1，说明138号整体节点缩尺试验模型偏安全，这表明138号整体节点在100年的设计寿命内有足够的抗疲劳破坏能力；　　（3）进行多轴荷载下的钢桁梁整体节点疲劳试验，通过实时观测模型各测点的应力值，模型各测点的应力值没有发生加载突变情况，模型也没有出现裂缝，同时在疲劳加载0、20万次、40万次、60万次、80万次、100万次、120万次、140万次、160万次、180万次、200万次后，分别对模型进行静力加载，模型各测点的应力值几乎未发生变化，表明模型在试验过程没有发生破坏，模型的最大应力位于整体节点板左侧上弦杆与斜杆相交部位，最大值为157.9 MPa；通过对比各测点的实测应力值和各测点的理论应力值，两者的数值大部分是比较接近的，最大的误差仅为8.7％，表明该试验得到的试验结果是可靠的，亦即武汉杨泗港长江大桥钢桁梁整体节点在200万次疲劳加载之后，没有发生破坏，其具备足够的抗疲劳性能。

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第1章 绪论

1.1研究意义

1.2钢桁梁整体节点疲劳研究现状

1.3本文主要研究内容

1.4本章小结

第2章 钢桁梁整体节点疲劳试验研究基本理论

2.1公路钢桁梁整体节点疲劳研究基本方法

2.2公路钢桥疲劳荷载

2.3疲劳损伤累积理论

2.4模型试验相似理论

2.5本章小结

第3章 武汉杨泗港长江大桥全桥有限元分析

3.1 工程概况

3.2武汉杨泗港长江大桥全桥有限元模型建立

3.3武汉杨泗港长江大桥全桥有限元模型计算

3.4本章小结

第4章 多轴荷载下钢桁梁整体节点疲劳性能分析

4.1 概述

4.2钢桁梁整体节点疲劳性能研究对象选取

4.3疲劳荷载的计算

4.4整体节点疲劳试验模型缩尺比例确定

4.5多轴荷载下钢桁梁整体节点疲劳试验有限元模拟分析

4.6多轴荷载下钢桁梁整体节点疲劳试验

4.7本章小结

第5章 结论和展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献