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原文传递钢-STC轻型组合桥面结构中栓钉焊趾处钢板性能研究

论文题名：	钢-STC轻型组合桥面结构中栓钉焊趾处钢板性能研究
关键词：	钢-STC轻型组合桥面结构;栓钉焊趾;静力性能;疲劳开裂;有限元模型
摘要：	为解决传统正交异性钢桥面板钢结构疲劳开裂和铺装层损坏两大顽疾，湖南大学提出了钢-STC(Super Toughness Concrete)轻型组合桥面这一新型组合结构。经过系统理论分析和试验研究，并结合工程实际，已经验证该新型结构能显著降低钢结构典型疲劳细节的应力幅，能有效降低疲劳开裂风险。　　钢-STC轻型组合桥面结构通过在钢面板上焊接短栓钉将 STC和下部钢结构连接成整体共同工作。由于STC层较薄，栓钉尺寸较小，为了得到良好的组合作用，需要在钢面板上焊接数量庞大的栓钉，而大量的焊接工作同时会引入初始缺陷，残余应力等，使得栓钉焊趾处钢面板成为了新的疲劳细节。目前针对该细节研究甚少，本文就该细节的静力性能和疲劳性能开展了以下工作：　　（1）为研究栓钉焊趾处钢面板的静力性能，以浙江湖州五一大桥为工程背景，设计了板肋轻型组合结构正负弯矩静力试验。试验结果表明：减小栓钉间距能够提高轻型组合结构的滑移荷载和极限承载力，其中栓钉间距对滑移荷载的影响程度更大，栓钉间距从200mm减小为150mm，其滑移荷载提高了36.6％，极限承载力提高了8.9%。对于栓钉焊趾处钢面板应力分布情况，其中纯弯段钢面板应力分布均匀，弯剪段栓钉焊趾处钢板有明显的应力集中现象，此区域应力水平远大于非焊趾区域，焊趾处钢板沿纵向一侧受拉一侧受压，出现压、拉应力峰值。同时基于 ABAQUS有限元对实验进行了有限元仿真模拟，计算结果和试验结果吻合良好。计算结果表明：对于板肋轻型组合结构钢面板而言，弯剪区栓钉焊趾处存在明显应力集中现象，该细节处应力水平远大于非焊趾区域，不同断面应力集中程度不同，截面弯矩越大应力集中程度越小。同时进行有限元参数分析，研究了栓钉间距及钢面板厚度对钢板应力水平及应力集中的影响规律。　　（2）应用热点应力法，基于多尺度有限元分析对五一大桥进行疲劳评估。结果表明，钢面板应力主要受车轮局部荷载影响，纵、横向应力水平大致相同，主要为双向受力，其纵向高应力区域位于车轮荷载位置和横隔板位置，横向高应力区域位于车轮荷载位置。针对栓钉焊趾处钢板这一疲劳细节，横隔板负弯矩区纵桥向应力大于横桥向应力，纵向受力更为不利；隔板跨中正弯矩区域处疲劳细节的纵、横向应力水平都较高，双向受力明显。相比较而言，正弯矩区域受力更为不利。栓钉焊趾处钢板负弯矩区最大应力幅为34.25MPa，其抗疲劳性能满足设计要求，正弯矩区域最大应力幅为32.88MPa，满足疲劳设计要求，但此处应力幅水平达到82.5MPa，规范设计值为86.95MPa，仍有潜在疲劳开裂风险。　　（3）为验证五一大桥板肋轻型组合结构中栓钉焊趾处钢板在正弯矩作用下能否满足工程要求，设计了正弯矩疲劳试验，在栓钉焊趾处钢板应力幅为142.7MPa的疲劳荷载下，历经了50万次疲劳循环后，轻型组合结构中纵肋先于钢面板和STC层破坏.根据应力等效换算，得出栓钉焊趾处钢板这一疲劳细节在设计应力幅下循环加载达258万次仍未破坏，满足工程要求。
作者：	汪尔颖
专业：	建筑与土木工程
导师：	李立峰;王甜
授予学位：	硕士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文