【摘要】：由于鋼橋具有自重輕、跨越能力大、施工快捷等諸多優(yōu)點,已被廣泛應用于大跨度公路與鐵路橋梁中。目前,鋼橋在服役過程中車輛超載現(xiàn)象日益嚴重,加上管理維護措施不到位,疲勞問題日趨突出。在鋼橋設計與建造中存在一些局部幾何構造、應力場復雜的焊接細節(jié),針對這些焊接細節(jié)的疲勞性能需進行深入研究。因此本文以鋼桁橋主梁新構造細節(jié)為研究對象,開展主梁新構造細節(jié)的疲勞性能試驗及疲勞壽命評估方法研究。主要研究內容、方法和研究成果如下:(1)收集并闡述了鋼橋疲勞壽命評估方法的研究現(xiàn)狀,介紹了疲勞設計準則和抗疲勞設計方法,歸納總結了疲勞性能的影響因素。(第1章)(2)設計并開展了15個主梁新構造細節(jié)疲勞試件的疲勞性能試驗,測試了各主梁新構造細節(jié)疲勞試件的加載應變和疲勞壽命,分析了疲勞破壞過程及疲勞損傷發(fā)展歷程,基于疲勞試驗結果擬合了主梁新構造細節(jié)中帶過焊孔的焊接細節(jié)和過焊孔處填半圓弧板的焊接細節(jié)的S-N曲線。(第2章)(3)采用ANSYS有限元軟件建立了主梁新構造細節(jié)的三維有限元模型,對比分析了主梁新構造細節(jié)的靜力加載應變測試結果與有限元計算結果,研究結果表明:測試結果與有限元計算結果較為吻合。介紹了焊接細節(jié)局部應力集中系數(shù)的影響因素,結合主梁新構造細節(jié)的幾何構造參數(shù)和焊接參數(shù),探討了板件厚度、填板厚度、對接焊縫參數(shù)、板件間隙寬度、焊縫熔深參數(shù)和初始幾何缺陷對主梁新構造細節(jié)的翼緣板、腹板和焊縫應力集中系數(shù)的影響規(guī)律。研究結果表明:對主梁新構造細節(jié)中帶過焊孔的焊接細節(jié)局部應力集中系數(shù)影響顯著的因素主要有板件厚度、過焊孔半徑,對主梁新構造細節(jié)中過焊孔處填半圓弧板的焊接細節(jié)局部應力集中系數(shù)影響顯著的因素主要有填板厚度、焊腳尺寸、板件厚度、過焊孔半徑、板件間隙參數(shù),對主梁新構造細節(jié)中焊縫錯開的焊接細節(jié)局部應力集中系數(shù)影響顯著的因素主要有初始幾何缺陷、對接焊縫余高、板件間隙參數(shù)。(第3章)(4)介紹了熱點應力法的基本原理,歸納總結了表面外推法、厚度線性化法、Dong法、1 mm法和等效熱點應力法等熱點應力計算方法,采用ANSYS所建立的主梁新構造細節(jié)三維有限元模型討論了單元類型和焊接細節(jié)局部構造處理方式等熱點應力影響因素,應用表面外推法、Dong法、1 mm法計算了主梁新構造細節(jié)的熱點應力,進行了主梁新構造細節(jié)的疲勞壽命預測,并對各方法的預測結果作了對比分析。研究結果表明:單元類型和焊接細節(jié)局部構造處理方式對熱點應力外推計算結果具有顯著的影響,推薦采用兩點外推法和SOLID45單元進行主梁新構造細節(jié)的熱點應力外推計算,并應將熱點應力外推點選擇在0.5t范圍之外。采用熱點應力法進行主梁新構造細節(jié)的疲勞壽命預測評估時宜優(yōu)先選用表面外推法,其次可選擇厚度線性化法和Dong法。(第4章)(5)闡述了線彈性斷裂力學的基本理論,介紹了裂紋尖端附近的應力場和位移場,采用ANSYS建立了主梁新構造細節(jié)的三維斷裂力學有限元模型,應用位移法計算了主梁新構造細節(jié)裂紋尖端的應力強度因子,討論了主梁新構造細節(jié)的幾何參數(shù)和裂紋參數(shù)對其應力強度因子的影響規(guī)律,擬合了不同裂紋形狀比下主梁新構造細節(jié)的裂紋形狀修正系數(shù)函數(shù),并結合Paris公式預測了主梁新構造細節(jié)中帶過焊孔的焊接細節(jié)的疲勞裂紋擴展壽命。研究結果表明:裂紋形狀比和半裂紋長度對主梁新構造細節(jié)的應力強度因子影響顯著,主梁新構造細節(jié)的幾何參數(shù)對其應力強度因子也有一定程度的影響,其應力強度因子K_I最大值均在裂紋最深點處取得。(第5章)(6)介紹了三種疲勞可靠度分析模型,闡述了主梁新構造細節(jié)疲勞可靠性分析中隨機變量的分布類型及參數(shù)取值,基于線彈性斷裂力學的計算分析結果及裂紋形狀修正系數(shù)函數(shù)建立了主梁新構造細節(jié)的疲勞極限狀態(tài)方程,采用JC法計算了主梁新構造細節(jié)的疲勞可靠指標,討論了隨機變量的參數(shù)取值對其疲勞可靠指標的影響,結合所指定的目標可靠指標給出了主梁新構造細節(jié)中帶過焊孔的焊接細節(jié)的檢測周期。研究結果表明:帶過焊孔的焊接細節(jié)的疲勞可靠指標對疲勞擴展參數(shù)C均值、C變異系數(shù)和初始裂紋尺寸均值、裂紋形狀比較為敏感,而不受初始裂紋尺寸變異系數(shù)的影響,該焊接細節(jié)的檢測維修周期為疲勞荷載累積循環(huán)加載198.3萬次所對應的服役時間。(第6章)
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U441.4
【圖文】：

美國PointPleasant橋破壞前后

韓國圣水大橋破壞前后

我國宜賓金沙江大橋破壞前后

【參考文獻】

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本文編號：2778823