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原文传递公铁两用斜拉桥索梁锚固结构疲劳性能与疲劳寿命研究

论文题名：	公铁两用斜拉桥索梁锚固结构疲劳性能与疲劳寿命研究
关键词：	公铁两用斜拉桥;索梁锚固结构;疲劳性能;疲劳寿命
摘要：	近年来，为了满足公路和铁路共用桥位的需求，公铁两用斜拉桥得到了广泛的应用。在汽车荷载和列车荷载的共同作用下，大跨度公铁两用斜拉桥承受了巨大的荷载作用。作为斜拉桥中拉索和主梁的连接构件，索梁锚固结构具有复杂的局部焊接构造，此外，在传递巨大的荷载效应过程中，索梁锚固结构应力集中现象突出。为了解决这一问题，在现有公铁两用斜拉桥中采用了一种连接拉索和钢桁梁的新型索梁锚固结构形式—复合式双锚拉板锚箱。双侧锚拉板作为传力竖板，上部通过焊接构成锚箱，与拉索锚固连接，下部与主梁顶板连接。在汽车荷载和列车荷载的组合作用下，作用在索梁锚固结构上的荷载通过连接焊缝传递，焊接细节的疲劳问题十分突出。　　本文对复合式双锚拉板锚箱开展了系统的研究，以边界等效的疲劳试验为基础，分别采用名义应力、热点应力以及断裂力学方法研究了索锚结构的疲劳性能;结合累积损伤模型和裂纹扩展模型中的参数特征，采用疲劳寿命分析的混合可靠度模型，对索梁锚固结构的疲劳寿命进行了研究。研究内容如下: 　　(1)回顾公铁两用斜拉桥的建造和发展，分析了索梁锚固结构的受力特征和结构组成特征，结合既有钢桥的疲劳病害情况，论述了公铁两用斜拉桥索梁锚固结构中的疲劳问题及其研究的必要性，综述了索梁锚固结构疲劳性能和疲劳寿命的研究现状，说明了论文研究的意义。　　(2)采用既有公路汽车和铁路列车的疲劳车模型，通过数值模拟研究了斜拉桥的索梁锚固结构的疲劳荷载及其组合方法。研究了索梁锚固结构疲劳细节的应力分布特征，以及各板件的几何参数敏感性，得到了复合式双锚拉板锚箱的基本结构和三类疲劳敏感细节，分别为锚压板与传力竖板连接端部轴拉细节、锚压板与传力竖板连接侧面拉剪细节，以及锚压板承压端部的压剪细节，并给出相应名义应力幅计算公式。　　(3)基于相似原理，考虑应力等效和边界等效，开展了复合式双锚拉板锚箱基本结构的疲劳试验。初始状态下的静力加载测试表明:基本结构的实测应力分布与有限元计算值基本吻合，基本结构与实际索梁锚固结构中的有限元计算值具有较高的一致性，可以用于索梁锚固结构疲劳性能研究。疲劳试验表明:索梁锚固结构在轴拉细节和压剪细节位置观测到裂纹，轴拉细节的疲劳断裂导致了索梁锚固结构的整体失效;轴拉细节疲劳性能与锚压板宽高比有关，结合规范中相关的S-N曲线，引入与锚压板宽高比相关的参数，对轴拉细节名义应力幅计算公式进行修正;并给出了各细节的参考疲劳细节类别。　　(4)采用热点应力外推法，对索梁锚固结构中的不同应力状态下的疲劳细节进行热点应力判定，采用有限元模拟，分析了单元类型、网格尺寸以及外推方法对热点应力的影响。结合试验中轴拉细节的热点应力测试值，验证了有限元模拟的有效性，以及FAT90曲线在索梁锚固结构疲劳寿命分析中的合理性。采用应力集中系数，对基本结构中的几何参数进行敏感性分析，结合实桥中几何参数的取值规律，给出轴拉细节和拉剪细节应力集中系数的表达式。　　(5)采用线弹性断裂理论研究裂纹扩展规律，借助ANSYS与FRANC3D有限元软件，对裂纹尖端的应力强度因子和裂纹扩展进行模拟分析，借助文献中穿透型裂纹和半椭圆表面裂纹的试验测试值，验证有限元模拟的有效性。采用最大周向应力准则对承压板与传力竖板连接端部裂纹进行裂纹扩展模拟，结合断口形貌，研究了初始裂纹尺寸和形状对裂纹尖端应力强度因子和裂纹扩展的影响。采用应力强度因子修正系数，对基本结构中的几何参数进行敏感性分析，给出锚压板与传力竖板连接端部半椭圆裂纹的应力强度因子修正系数的表达式。　　(6)传统的钢结构疲劳寿命预测误差较大，线性累积损伤模型和裂纹扩展模型中变量具有不确定性和随机性，基于区间-概率理论，分别推导了服从正态分布、对数正态分布的概率模型和区间模型的一致性关系，给出可同时考虑区间变量和随机变量的混合可靠度理论简化分析模型和求解方法。对桥梁工字梁中的疲劳细节进行疲劳寿命分析，验证本文方法的有效性和适用范围。采用累积损伤模型和裂纹扩展模型对索梁锚固结构的轴拉细节进行疲劳可靠性研究，分析索锚结构的疲劳寿命，给出了设定合理检修周期的建议。
作者：	曹珊珊
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	雷俊卿
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文