【摘要】：正交異性鋼橋面板具有自重輕、承載力高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),得到了廣泛的應(yīng)用,已經(jīng)成為大跨度橋梁的首選橋面板結(jié)構(gòu)。但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,存在較多易產(chǎn)生疲勞的部位,頻繁誘發(fā)疲勞裂紋。目前疲勞開裂已成為鋼結(jié)構(gòu)體系橋梁發(fā)展的控制性難題,疲勞裂紋呈現(xiàn)普遍性、早發(fā)性、多發(fā)性、重復(fù)性的特征,嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的使用性能,甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞,從而造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。正交異性鋼橋面板各疲勞細(xì)節(jié)(易疲勞部位)主要對(duì)車輛輪載作用位置敏感,重車道下方輪跡線范圍內(nèi)橫隔板兩相鄰開孔間又是面板最薄弱的部位,抗疲勞性能較差,容易產(chǎn)生疲勞裂紋。根據(jù)已有的資料,該處疲勞裂紋約占正交異性鋼橋面板疲勞裂紋的1/3以上,有的統(tǒng)計(jì)甚至高達(dá)80%。相關(guān)學(xué)者們作了大量研究,但是對(duì)于橫隔板開孔部位疲勞裂紋頻繁出現(xiàn)的原因至今尚不完全清楚,這已成為鋼橋疲勞研究的難題。為此,本文采用理論分析、模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合的方法,對(duì)正交異性鋼橋面板的疲勞進(jìn)行了研究,重點(diǎn)對(duì)荷載作用下輪跡線范圍內(nèi)橫隔板兩相鄰開孔部位的面外變形和疲勞裂紋產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了深入的探索,揭示了在荷載作用下,橫隔板彈塑性局部屈曲引起面外變形,從而誘發(fā)裂紋的機(jī)理。研究的主要內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)裂紋塑性和尾跡場(chǎng)循環(huán)塑性分析針對(duì)裂紋提前閉合和過載情況下裂紋擴(kuò)展滯后的問題,采用數(shù)值模擬方法對(duì)裂紋塑性和尾跡場(chǎng)循環(huán)塑性進(jìn)行了研究,揭示了裂紋提前閉合的原因,闡明了過載情況下裂紋擴(kuò)展滯后的機(jī)理。(2)橫隔板開孔部位產(chǎn)生面外變形的原因分析從橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定理論出發(fā),根據(jù)局部屈曲理論,采用數(shù)值方法,首次對(duì)輪跡線范圍內(nèi)的橫隔板兩相鄰開孔部位產(chǎn)生面外變形的原因進(jìn)行了分析,揭示了該部位面外變形是由彈塑性局部屈曲引起的機(jī)理。根據(jù)分析結(jié)果,闡明了疲勞損傷與局部屈曲的關(guān)系。(3)橫隔板開孔部位產(chǎn)生裂紋的力學(xué)機(jī)理研究基于局部屈曲分析和試驗(yàn)結(jié)果,從斷裂力學(xué)和疲勞裂紋的基本原理出發(fā),采用有限元法對(duì)面板模型進(jìn)行數(shù)值分析,結(jié)果表明橫隔板開孔部位易出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū),考慮熱點(diǎn)應(yīng)力的疊加作用,主應(yīng)力超過該細(xì)節(jié)的常幅疲勞極限從而產(chǎn)生了裂紋,揭示了荷載引起的面外變形是該部位疲勞裂紋發(fā)生的主要原因。利用不連續(xù)伽遼金擴(kuò)展有限元法(DG-XFEM)對(duì)疲勞裂紋的擴(kuò)展進(jìn)行了仿真分析,裂紋擴(kuò)展的方向和路徑符合裂紋擴(kuò)展的基本理論,與試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)橋中出現(xiàn)的類似裂紋一致。(4)正交異性鋼橋面板主應(yīng)力歷程線的研究基于兩種典型疲勞單車驗(yàn)算模型,采用有限元法分析了荷載縱、橫向移動(dòng)的主應(yīng)力歷程線的變化。結(jié)果表明:在對(duì)正交異性鋼橋面板進(jìn)行疲勞分析時(shí),可以不考慮前、后軸載和相鄰車道上車輛荷載的疊加效應(yīng)。(5)提高橫隔板抗疲勞性能的方法研究根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論,提出了兩種提高橫隔板開孔部位的抗疲勞性能的方法,并對(duì)兩種方法進(jìn)行了有限元分析。分析結(jié)果表明:兩者都能顯著降低局部屈曲引起的面外變形,其中局部加厚方法更優(yōu)。
【圖文】：

第一章 緒論1.1 研究的背景及意義疲勞是在循環(huán)荷載作用下微裂紋萌生和擴(kuò)展成宏觀裂紋的過程。疲勞失效是發(fā)生在機(jī)械工程領(lǐng)域中的一類十分普遍的物理現(xiàn)象，其基本特征是材料在低于其靜力強(qiáng)度極限的循環(huán)應(yīng)力(或應(yīng)變)的持續(xù)作用下，萌生多種類型的內(nèi)部微裂紋，并逐漸演變成為宏觀裂紋，以及由于裂紋擴(kuò)展而最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的過程。根據(jù)美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)(ASCE)完成的一項(xiàng)調(diào)查，80.90％的鋼橋破壞均與疲勞和斷裂問題有關(guān)。1994 年韓國(guó)圣水大橋由于疲勞裂紋導(dǎo)致中孔發(fā)生崩塌事故，造成 32 人死亡（圖1.1）。

位（疲勞細(xì)節(jié)），在運(yùn)營(yíng)后不久，過多、過早的出現(xiàn)了大量的疲勞裂紋。正交異性橋面板的疲勞開裂問題最早發(fā)現(xiàn)于英國(guó) Seven 橋，在其扁平鋼箱梁中，首次采用了正交異性橋面板。該橋在 1966 年竣工，使用 5 年后橋面板就出現(xiàn)了三種疲勞裂紋，即頂板與縱肋角焊縫處裂紋、橫隔與縱肋角焊縫裂紋以及連接板與縱肋處的裂紋。日本在經(jīng)濟(jì)騰飛時(shí)期建造了大量的鋼結(jié)構(gòu)橋梁，如今鋼箱梁橋的疲勞破壞現(xiàn)象頻繁發(fā)生。其中，最具代表性的當(dāng)屬 1978 年建成開通的 Kinuura 橋。該橋?yàn)檎划愋詷蛎姘邃撓淞航Y(jié)構(gòu)，縱向采用 U 形加勁肋，通過金屬墊板加單面坡口焊縫連接貫通整橋。這種連接形式實(shí)際上為大多數(shù)鋼箱梁橋所采用，然而，檢測(cè)人員在 2003 年 6 月檢測(cè)出許多 U 形肋的焊縫處存在疲勞裂紋，如圖 1.2 所示。日本在對(duì)國(guó)道上部分服役超過 20 年以上的鋼橋調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這些橋梁普遍地存在疲勞問題。其中，，阪神道路公司管轄的鋼橋中橋面板發(fā)生疲勞裂紋的數(shù)量由 2006年的 105 座增加到 2007 年的 142 座。
【學(xué)位授予單位】：重慶交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U441

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本文編號(hào)：2613537