铺装层温度与动载效应对纵肋与顶板构造细节疲劳损伤特性的耦合影响机制

摘要

钢桥面板因其独特的正交异性结构形式和性能优点成为了桥面系的常用结构，其与沥青铺装层组成的桥面系结构在交通承载中发挥着巨大的作用。随着国家交通供给侧改革的推进，交通强国建设力度的加强，处于主要交通运输干线之上的大跨径桥梁承担着更大的交通运输任务量。同时随着全球气候变暖的大环境下，桥面系也承受着来自高温环境的考验。其中，纵肋与顶板构造细节疲劳开裂是钢桥面板中较为严峻的问题，该细节直接承受来自铺装层传递的荷载，其疲劳损伤过程与铺装层的力学特性和使用状态关系密切。而铺筑于钢桥面之上起荷载分散作用和刚度贡献作用的沥青铺装材料是一种粘弹性材料，其力学特性受温度和加载频率影响较大。因此，为准确分析纵肋与顶板构造细节疲劳损伤特性，有必要研究铺装层温度和动载效应对该细节的影响机制。本文基于一座既有桥梁桥面系结构形式，针对该问题开展了以下研究：　　(1)阐述了钢桥面板的应用现状，并对国内外关于纵肋与顶板构造细节疲劳性能方面的研究和铺装层对该细节疲劳性能影响的研究做了总结，分析了当前在铺装层和纵肋与顶板构造细节整体受力方面研究的不足之处，明确本文的研究思路和研究内容；　　(2)对当前国内外常用的疲劳性能评估方法和疲劳损伤计算方法做了总结，简要介绍了各种疲劳性能评估方法的优点及不之处，详细介绍了等效结构应力法计算原理以及基于此方法进行损伤计算及寿命评估的具体流程，确定本文采用的理论方法与疲劳损伤计算流程；　　(3)对当前国内外常用的铺装层结构形式和沥青铺装材料做了简要的总结，分析了各种沥青混凝土材料的优缺点。建立了既有桥梁钢桥面板桥面系结构有限元计算模型，从钢桥面板与铺装层整体受力角度出发，分析并量化了沥青铺装层对钢桥面板的车轮荷载扩散效应和刚度贡献效应，分析了铺装层温度和加载频率对铺装层贡献效应的影响；　　(4)基于沥青铺装材料动态应力应变关系，分析并量化了沥青铺装层温度与动载效应对纵肋与顶板构造细节荷载响应的影响。利用ANSYS计算不同温度不同加载频率下该细节的等效结构应力幅，分析并量化了铺装层温度和动载效应对应力响应的影响效应，并基于此建立了可以考虑铺装层温度与加载频率的结构应力响应代理模型；　　(5)基于实桥车流数据建立了日内每小时随机车流荷载模型，研究了不同车型对关注细节等效结构应力幅的影响。考虑沥青铺装层温度与动载效应，对关注细节疲劳损伤特性展开研究，获得了关注细节日内损伤疲劳损伤时间历程，量化了沥青铺装层温度与动载效应对关注细节疲劳损伤特性的耦合影响。

目录

声明

第1章绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 纵肋与顶板构造细节疲劳性能研究

1.2.2 沥青铺装层对钢桥面板疲劳性能影响

1.3 问题的提出

1.4.1 研究内容

1.4.2 技术路线

第2章 钢桥面板疲劳损伤分析方法

2.1.1 名义应力法

2.1.2 热点应力法

2.1.3 等效结构应力法

2.2 疲劳损伤计算方法

2.3 本章小结

第3章铺装层对正交异性钢桥面板贡献效应研究

3.1 钢桥面板沥青铺装层结构形式

3.2 沥青铺装层的材料特性

3.3.1 有限元模型建立

3.3.2 横向最不利加载位置

3.3.3 纵向应力影响线

3.3.4 铺装层温度与动载效应的影响

3.4 本章小结

第4章铺装层温度与动载效应对细节应力响应的影响

4.1 铺装层温度对纵肋与顶板构造细节应力响应影响

4.2 动载效应对纵肋与顶板构造细节应力响应影响

4.3 铺装层温度与动载效应对纵肋与顶板细节应力响应的耦合影响

4.4 简化结构应力响应代理模型

4.5 本章小结

第5章铺装层温度与动载效应对细节疲劳损伤影响

5.1.1 车型统计

5.1.2 轴距和轴重比例对关注细节应力响应的影响

5.1.3 各车型对关注细节的应力响应的影响

5.2 随机车流信息统计与模拟

5.3 钢桥面板疲劳损伤评估

5.3.1 常温状态下纵肋与顶板构造细节损伤

5.3.2 铺装层温度与动载效应对关注细节损伤的影响规律

5.3.3 铺装层温度与动载效应对关注细节疲劳损伤特性的耦合影响

5.4 本章小结

结论与展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果