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原文传递货运繁重公路车辆荷载谱及正交异性钢桥面板疲劳研究

论文题名：	货运繁重公路车辆荷载谱及正交异性钢桥面板疲劳研究
关键词：	公路桥梁;正交异性钢桥面板;疲劳开裂;有限单元法;车辆荷载谱;弧形切口;应力监测
摘要：	正交异性钢桥面板具有自重轻、超载能力强、施工速度快、维护方便，且可工厂加工等优点，在多种桥梁结构形式和不同跨径中得到了广泛应用。然而，正交异性钢桥面板构造复杂、应力集中明显、焊接工艺要求高，若构造细节设计不合理、加工存在缺陷等，在车辆轮载的反复作用下可能会出现疲劳裂纹的萌生和扩展，尤其在货车通行量大和超载严重的货运繁重公路，其疲劳问题可能更突出。本文借助动态称重系统、有限元分析、现场监测对某货运繁重公路正交异性钢桥面板的疲劳开展了系统的研究，其主要研究内容和结论有：　　基于动态称重系统数据，归类并分析了广东某钢桥所在公路上通行的10类代表车型的轴距、轴重、总重和超载数据，提出了可用于钢桥疲劳评估的车辆荷载谱，以及桥梁单向和重车道疲劳车辆模型、桥梁超载车辆模型。研究表明，该货运繁重公路日均货车通行总量大，且车辆总重和轴重超载严重，货车沿部分车道集中；且因两轴车超载比例高，不能完全忽略两轴车的疲劳加载贡献。　　基于有限单元法建立了钢箱梁节段模型和正交异性钢桥面板子模型，开展了移动轮载作用下，该结构构造细节的应力响应分析和横隔板弧形切口疲劳寿命评估。研究表明，正交异性钢桥面板疲劳构造细节的轮载应力局部效应非常显著，其横桥向和纵桥向的应力影响线都较短；面板对接焊缝、纵肋-面板焊缝构造细节能识别货车单轴，而弧形切口、纵肋-横隔板焊缝、纵肋对接焊缝等构造细节的应力响应只能识别轴组。弧形切口应力响应复杂，在横隔板腹板最小净截面处存在显著应力集中，其最大主应力法向方向与实桥开裂形态相符；另外，横隔板存在一定的面外变形，但面内压应力显著主导弧形切口应力响应，适当增加横隔板的厚度，可有效降低弧形切口应力水平。利用热弹塑性有限元模拟的纵肋-横隔板焊缝焊接过程表明，弧形切口焊接残余拉应力接近300MPa，其与轮载压应力的叠加满足了疲劳裂纹扩展的拉应力条件；基于最不利荷载工况获得的弧形切口疲劳寿命与实桥较吻合。　　开展了随机车流下正交异性钢桥面板构造细节的应力监测，获得了各构造细节的长时间连续应力时程和货车通行下的典型应力响应。通过雨流计数法获得了各构造细节的应力谱，基于等效损伤原则获得构造细节的等效应力幅和加载次数，并基于AASHTO LRFD对正交异性钢桥面板疲劳敏感构造细节进行了评价。研究表明，弧形切口采用疲劳等级X和8评估的寿命均远小于桥梁设计寿命100年，而采用疲劳等级8得到的寿命与实桥开裂时间较吻合；纵肋-横隔板焊缝、纵肋-面板焊缝以及面板纵向对接焊缝在典型轮载作用下的应力响应也很大，采用疲劳强度等级C评价的寿命也均小于设计寿命。　　为研究正交异性钢桥面板弧形切口扩大对该构造细节的应力和疲劳性能影响，采用ANSYS分别建立了弧形切口扩大前、后的正交异性板钢箱梁多尺度有限元模型，基于动态称重系统得到的疲劳车进行了分析，并结合随机车流下两种弧形切口应力的同步实测，开展了横隔板两种不同弧形切口构造细节的应力对比研究。研究表明，弧形切口尺寸扩大能减小应力集中程度，能减小缺口效应造成的非线性应力峰值，然而由于尺寸扩大减小了两侧弧形切口之间的最小净截面，进一步削弱了横隔板刚度，导致面内应力增大，而面外应力减小并不显著，最终可能增大弧形切口的应力。因此，扩大切口无法改善轮载作用下的弧形切口疲劳性能。　　通过在重车道轮迹线下的横隔板弧形切口最小净截面连线上，由切口边缘向外并排布设多个应变片，监测了桥面随机车流下，距切口边缘2.5t范围内的应力响应，获得了应力沿弧形切口最小净截面连线法向的分布，以及货车通行下的典型应力响应，基于热点应力法开展了构造细节的疲劳评价。研究认为，弧形切口缺口效应导致显著的非线性应力效应，其半径决定了非线性应力峰值大小和范围。现有热点应力外推公式对切口半径较敏感，在弧形切口疲劳评价上并不合适。本文提出了弧形切口热点应力合适的参考点位置，以及对应的热点应力外推公式，该公式可排除弧形切口的非线性应力峰值影响，并可给出与实桥开裂时间基本吻合的疲劳寿命。　　研究认为，横隔板偏薄，弧形切口存在较大焊接残余应力，货车通行量大和超载严重是导致货运繁重公路正交异性钢桥面板过早出现疲劳开裂的主要原因；本文研究得到的货运繁重公路车辆荷载谱和疲劳车辆模型，能丰富我国公路车辆荷载谱和疲劳车辆模型；所得研究结论，也能为正交异性钢桥面板的设计、制造、施工和维修加固，特别是弧形切口构造细节的疲劳评定和加固提供非常有益的参考。
作者：	黄炎
专业：	土木工程
导师：	祝志文
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文