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原文传递城市轨道交通正交异性钢桥面板疲劳裂纹扩展研究

论文题名：	城市轨道交通正交异性钢桥面板疲劳裂纹扩展研究
关键词：	轨道交通桥梁;钢桥面板;正交异性;裂纹扩展
摘要：	近年来，我国各大城市的轨道交通项目建设已进入飞速蓬勃发展的阶段，众多轨道交通桥梁拔地而起，由于大多数城市轨道交通桥梁跨径比较大，为了减轻自重，主梁一般采用钢结构，桥面系大多数采用正交异性钢桥面板结构。然而，此类桥面板结构在循环荷载作用下很容易产生疲劳开裂问题，疲劳开裂问题一旦出现将导致结构在没有达到使用年限之前就发生破坏，造成巨大的经济损失。目前对该类桥面板结构的疲劳开裂研究主要集中在公路和铁路桥梁，而对城市轨道交通桥梁的研究相对较少，因此，本文对城市轨道交通桥梁的正交异性钢桥面板结构疲劳开裂问题进行研究是很有必要的。　　本文以某城市轨道交通斜拉桥为背景，依照该桥的正交异性钢桥面板结构构造形式设计并开展了足尺模型疲劳试验，重点对试验出现的疲劳裂纹的扩展过程进行了研究，并选取实桥的部分结构预测裂纹萌生位置。主要研究内容和结论如下：　　（1）依据某城市轨道桥梁的结构形式设计了疲劳试验模型，并开展了疲劳试验研究，采用ABAQUS软件对试验模型进行建模和分析，分析计算后得到的结果与试验实际测量的结果基本吻合。疲劳试验的结果表明：应力—荷载的加/卸载曲线是对称分布的，且各测点在加/卸载过程中呈线性关系；200万次循环加载完成时，经仔细观察，并没有发现疲劳裂纹；200万次~250万次和250万次~300万次，疲劳荷载幅值分别提高到原来的1.25倍和1.5倍，试件也没有出现肉眼可见的裂纹；300万次~325万次，疲劳荷载幅值到原来的1.75倍，在加载位置的边界附近出现了长15.1cm的裂纹；325万次~350万次，裂纹扩展到18.6cm。　　（2）根据疲劳试验开裂结果，采用ABAQUS与Franc3D相结合的方式对该疲劳裂纹扩展过程进行模拟，根据线弹性断裂力学的理论对结构的疲劳寿命进行预测，并研究了初始缺陷尺寸、U肋厚度和高度、顶板厚度以及横隔板厚度对该裂纹应力强度因子幅值的影响。研究结果表明：该处裂纹的类型是由I型裂纹主导的复合型裂纹；试验得到的剩余寿命与有限元模拟的剩余寿命存在一定的相对误差，但在可接受的范围之内；顶板厚度和初始裂纹尺寸对应力强度因子幅值的影响比较大；应力强度因子幅值随各参数呈单调变化。　　（3）分别采用裂纹萌生位置判别因子法和应力集中法对正交异性钢桥面板结构的疲劳裂纹萌生位置进行预测，并研究在不同加载位置下最先有可能萌生疲劳裂纹的位置。研究结果表明：当荷载作用在U肋内侧时，疲劳裂纹更容易萌生在顶板与U肋连接处的焊趾位置；当荷载作用在U肋正上方时，疲劳裂纹更容易萌生在横隔板开孔处；当荷载作用在U肋外侧时，疲劳裂纹更容易萌生在顶板与U肋连接处的焊根位置。
作者：	薛晓芳
专业：	土木工程;结构工程
导师：	曾勇
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022