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原文传递服役环境下正交异性钢桥面板疲劳裂纹诊断与评估方法

论文题名：	服役环境下正交异性钢桥面板疲劳裂纹诊断与评估方法
关键词：	正交异性钢桥面板;顶板纵肋焊接;疲劳寿命评估;残余应力;松弛效应
摘要：	正交异性钢桥面板构造复杂，其疲劳寿命主要由各类焊接细节共同决定，其中顶板与纵肋焊接接头疲劳裂纹对桥面系安全使用危害大且修复困难，而焊接残余应力与车载应力的耦合作用以及在此过程中产生的应力松弛效应是该类焊接细节疲劳损伤的主要诱因。在考虑焊接残余应力及其松弛效应的影响下，准确分析关键焊接细节在循环车载作用下的真实应力水平是该类桥面系进行疲劳损伤评估和寿命预测的前提。但焊缝位置初始残余应力分布本身具有高度非线性，其在外荷载作用下残余应力松弛行为更为复杂，使得目前既有的评估方法无法有效考虑和量化焊接残余应力及其松弛效应对焊接结构疲劳寿命的影响。本文以焊接残余应力与车载应力耦合简化模型为基础，结合焊接残余应力松弛规律，建立了焊接细节应力时程简化方法，采用考虑焊接残余应力及松弛效应影响的全空间疲劳强度S-N曲线模型，对顶板纵肋焊接细节疲劳寿命进行系统深入的研究。　　（1）为考虑焊接残余应力对正交异性钢桥面板疲劳寿命的影响，以钢桥面板顶板纵肋焊接细节疲劳裂纹为研究对象，采用钻孔应变法对足尺正交异性钢桥面板试件进行了残余应力试验研究。在此基础上采用热-结构耦合分析方法，建立了适用于顶板纵肋焊接细节温度场和残余应力场分析的弹-塑性有限元模型，确定了顶板纵肋焊接细节残余应力分布规律，并重点分析顶板、纵肋关键设计参数对残余应力的影响，提出适用于钢桥面板顶板疲劳分析的残余应力分布模型。该模型可以简化复杂的残余应力分析过程，直接计算关键焊接细节残余应力大小。　　（2）为量化外部循环荷载作用下正交异性钢桥面板顶板纵肋焊接细节残余应力松弛程度，基于材料塑性循环本构关系建立了能够考虑残余应力松弛效应的钢桥面板多尺度耦合分析模型，进一步开展了车载工况下焊接细节残余应力松弛效应分析，构建焊接残余应力和车载应力耦合作用下平均应力、等效应力幅等疲劳参数计算方法。在此基础上，基于顶板纵肋实体单元精细分析子模型研究了等/变幅循环荷载工况下循环次数、应力幅、应力比和顶板厚度等关键因素对多轴向残余应力松弛效应的影响，最终提出了基于外荷载应力幅值、应力比和材料屈服应力的焊接残余应力松弛系数释放公式。该公式可以简化复杂的焊接残余应力与车载应力耦合分析过程，通过焊接细节初始残余应力值和外荷载应力值定量计算残余应力释放量。　　（3）针对焊接残余应力与车致响应复杂耦合场求解困难的问题，通过对外荷载作用下顶板纵肋焊接细节的受力状态进行分析，结合类P-E法和简化节点力结构应力法，建立了焊接初始残余应力与外荷载引起的结构应力耦合作用简化模型，确定了外荷载加载时焊接细节应力时程曲线的峰值；在此基础上，结合焊接残余应力松弛系数释放公式，确定了外荷载卸载时焊接细节应力时程曲线的谷值，最终建立考虑焊接残余应力及松弛效应的焊接细节应力时程简化方法。该方法简化了传统焊接残余应力数值分析中繁琐多重非线性耦合计算造成的时间长、计算效率低等问题，只需计算外荷载应力及其作用下焊缝位置的结构应力，即可推算出考虑焊接残余应力及松弛效应影响的焊接细节真实应力时程曲线，并通过数值模拟验证其准确性。　　（4）为考虑焊接残余应力及其松弛效应对顶板纵肋焊接细节疲劳寿命的影响，采用包含焊接残余应力及其松弛效应的焊接细节简化应力时程曲线，基于金属材料的疲劳理论和Soderberg公式，建立并推导了能够考虑焊接残余应力及松弛效应影响的全空间S-N曲线模型，揭示了焊接残余应力、应力松弛以及平均应力对焊接细节疲劳寿命的影响机理。在此基础上以江阴长江大桥为工程背景，进行了交通荷载影响效应分析，考察了车重和车流量增长对顶板纵肋焊接细节疲劳寿命的影响，并通过与Eurocode3规范和AASHTO规范推荐的S-N曲线计算结果进行对比，验证了所提出方法的准确性。
作者：	钟雯
专业：	土木工程;防灾减灾及防护工程
导师：	丁幼亮
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2021