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基于断裂力学的正交异性钢桥面板疲劳裂纹扩展研究
| 论文题名： | 基于断裂力学的正交异性钢桥面板疲劳裂纹扩展研究 |
| 关键词： | 钢桥面板;正交异性;裂纹扩展;断裂力学 |
| 摘要： | 正交异性钢桥面板因其自身重量轻、传力整体性优良、施工周期短、极限承载力高等优点在现代以斜拉桥和悬索桥为代表的大跨桥梁建设工程中得到广泛的应用，但同时又因其复杂的构造和焊接初始缺陷的存在，导致焊接处存在初始裂纹的局部位置在往复车辆荷载作用下产生严重的应力集中现象，最终导致疲劳裂纹进一步扩展并降低使用寿命。因此在正交异性钢桥面板的疲劳裂纹扩展研究中应准确模拟正交异性钢桥面板疲劳敏感易损细节的裂纹扩展情况并评估其疲劳裂纹扩展寿命。 本文以泰州长江公路大桥正交异性钢桥面板标准梁段为工程背景，基于断裂力学方法，结合疲劳裂纹扩展试验，通过ABAQUS软件和FRANC3D软件交互有限元模拟计算，对车载作用下正交异性钢桥面板易损焊接细节处进行了三维疲劳裂纹扩展分析与疲劳性能评估工作。具体工作内容如下： （1）介绍正交异性钢桥面板疲劳裂纹扩展问题的发展现状与研究成果，比较了几种较为完善的疲劳评估方法的基本原理与适用范围，并重点介绍了基于断裂力学理论的钢箱梁疲劳裂纹扩展研究成果。 （2）运用ANSYS有限元分析软件对泰州大桥钢箱梁标准节段进行了多尺度建模。分析了典型车辆荷载作用下横纵桥向应力影响范围和最不利位置。通过正交异性钢桥面板局部细化模型分析，确定了最不利加载工况；建立了典型焊接疲劳细节精细子模型，并进行了应力分析，确定了子模型边界选取需要满足的条件。 （3）针对正交异性钢桥面板顶板-U肋焊接处进行了疲劳裂纹扩展试验。选取了三处疲劳易损区域分别采用热点应力法与名义应力法进行应力测量和计算，并将三处测量点的实测应力值与有限元计算结果进行比较。通过基于断裂力学理论的ABAQUS软件和FRANC3D软件交互设计这一数值模拟方法，进行试验试件顶板-U肋焊接处的三维疲劳裂纹扩展数值模拟分析，获得每一步裂纹扩展的裂纹尖端应力强度因子值，分析应力强度因子与裂纹扩展深度的关系，计算出数值模拟条件下试验试件的疲劳裂纹扩展寿命，并与实验实测的疲劳裂纹扩展寿命作比较，验证该基于断裂力学理论的数值模拟方法的有效性。 （4）通过基于断裂力学理论的ABAQUS软件和FRANC3D软件交互设计这一数值模拟方法，分别建立泰州大桥实桥顶板-U肋连接焊缝处焊根和焊趾的局部有限元模型，进行三维裂纹扩展数值模拟分析，获得应力强度因子随裂纹深度变化关系和疲劳裂纹扩展次数；结合泰州大桥交通流量统计数据，计算得出泰州大桥正交异性钢桥面板重车道顶板-U肋焊缝连接的焊根和焊趾细节处疲劳裂纹扩展寿命。 |
| 作者： | 陈荣峰 |
| 专业： | 土木工程;防灾减灾工程及防护工程 |
| 导师： | 缪长青 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 东南大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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