正交异性钢桥面板U肋与面板全熔透焊接接头疲劳性能研究

摘要

正交异性钢桥面板因其自重较轻，承载能力高等的优点，被广泛应用于大跨度钢桥，然而钢桥面板容易产生疲劳裂纹，其中U肋与面板的连接焊缝处是主要位置之一，需要进行研究。本文以正交异性钢桥面板U肋与面板全熔透焊接头为研究对象，通过有限元建模、构造细节和足尺试件的疲劳试验，来研究其疲劳性能，主要工作如下:
　　(1)采用精细化的U肋与面板连接焊缝子模型，建立了不同熔透率的正交异性钢桥面板有限元仿真模型，分析得到了轮载作用下焊缝处应力的分布规律:焊缝处应力受局部效应影响，焊根和焊趾处各点的拉压应力和剪应力沿面板或焊喉厚度方向的呈曲线分布;当轮载位于U肋正上方、侧上方时，全熔透焊的Mises应力远远小于其他两种熔透率;对于部分熔透率来说，增加熔透率有助于降低焊缝处的应力，减小焊根处的应力集中，而全熔透焊不存在焊根处应力集中的问题。
　　(2)通过U肋与面板全熔透焊接头的疲劳试验，采用名义应力法对其疲劳强度进行了评估，得出了其最低疲劳强度相当于《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)的110强度等级;采用热点应力法，对其疲劳强度进行了评估，得出了其最低疲劳强度相当于国际焊接协会IIW规定的“FAT223”强度等级，还得到了该构造细节热点应力的S-N曲线。
　　(3)基于某大桥正交异性钢桥面板的尺寸，设计制作了U肋与面板全熔透焊焊缝的足尺节段模型，并进行了疲劳试验，结果表明:U肋与面板全熔透焊接接头在汽车荷载作用下具有较好的抗疲劳性能。

目录

声明

致谢

摘要

1．1研究背景

1．1．1正交异性钢桥面板的发展历史及应用

1．1．2正交异性钢桥面板疲劳问题

1．1．3纵肋与面板焊接连接处的疲劳问题

1．2钢结构疲劳相关理论

1．2．1疲劳的概念

1．2．2疲劳荷载参数

1．2．3疲劳曲线

1．2．4疲劳寿命评估方法

1．3国内外研究现状

1．3．1国外研究现状

1．3．2国内研究现状

1．4本文的主要工作

2 U肋与面板连接焊缝处应力分布的有限元分析

2．1纵肋与面板连接焊缝处受力分析

2．1．1连接焊缝处的裂纹起源

2．1．2连接焊缝处的焊接工艺

2．2正交异性钢桥面板有限元模型

2．2．1模型尺寸与材料

2．2．2模型的建立

2．2．3关注点位置的确定

2．3计算分析

2．3．1荷载沿横桥向移动时焊缝处应力分布规律

2．3．2熔透率对焊缝处应力沿纵桥向分布的影响

2．3．3熔透率对焊缝处应力沿面板厚度方向分布的影响

2．3．4熔透率对焊缝处应力沿焊喉厚度方向分布的影响

2．3．5熔透率对焊缝处Mises应力的影响

2．3．6全熔透焊缝受力分析

2．4本章小结

3构造细节小试件疲劳能研究

3．1试验

3．1．1试件设计与制作

3．1．2试验装置

3．1．3加载方案

3．1．4测点布置

3．2有限元计算分析

3．3静力试验结果分析

3．4疲劳试验结果分析

3．4．1疲劳强度分析

3．4．2疲劳断裂特征

3．5本章小结

4足尺节段模型疲劳性能研究

4．1试验

4．1．1试验目的

4．1．2试验设计

4．1．3试验装置及加载方案

4．1．4测点布置

4．2静力试验及结果分析

4．2．1跨中位置处的应力特征

4．2．2横隔板开孔位置处的应力特征

4．2．3横隔板和U肋连接焊缝下端U肋焊趾处的应力特征

4．3疲劳试验结果分析

4．4有限元计算分析

4．5本章小结

5．1结论

5．2展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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