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Q690qE高强度桥梁钢防脆断设计方法研究
| 论文题名： | Q690qE高强度桥梁钢防脆断设计方法研究 |
| 关键词： | 钢桥;防脆断设计;裂纹尖端张开位移 |
| 摘要： | 近年来，随着我国桥梁建设的发展和钢材强度等级的提升，桥梁钢结构脆性断裂问题变得更加突出，针对这一问题，我国相关规范依然是通过规定材料的夏比冲击吸收能量来控制，而这一方法只能定性地评价结构的防脆断性能，无法从定量的角度进行准确设计。学者基于线弹性断裂力学中应力强度因子提出了相关的防脆断设计和评价方法，但该方法仅限于线弹性或有小范围塑性屈服的范畴，随着我国钢材品质的改善，如果仅通过线弹性断裂力学理论来对结构进行防脆断设计，将与实际情况存在较大差异，不能充分发挥钢材的优良韧性。弹塑性断裂力学理论在桥梁钢结构防脆断问题中得到了一定研究和应用，但相关研究成果和实践应用依然较少，还有许多工作有待进一步开展。 本文针对桥梁钢结构脆性断裂问题，采用试验研究、有限元计算和理论分析的方法，从桥梁钢结构典型构造断裂驱动力、桥梁钢断裂韧性试验、桥梁钢防断选材和桥梁钢结构防脆断设计四方面开展研究，基于弹塑性断裂力学中裂纹尖端张开位移（CTOD）建立桥梁钢结构防脆断设计方法。主要研究成果和结论如下： （1）对带边缘裂纹的半无限大板，基于D-M模型推导出裂纹尖端塑性区尺寸计算公式，并建立了裂纹尖端张开位移的计算公式；通过对钢结构桥梁主要承载和传力杆件的分析，针对T形构造和棱角构造两类典型构造细节，基于裂纹尖端张开位移，分别建立了这两类典型构造的断裂驱动力计算公式。 （2）针对我国新研发的Q690qE高强度桥梁钢，依次开展小尺寸试样的夏比冲击试验、中等尺寸全厚度试样的CTOD试验和大尺寸全厚度试样的宽板拉伸试验，从多个角度评价了Q690qE钢母材和焊缝的断裂韧性，为桥梁钢结构防脆断设计提供数据基础。 （3）选取T形构造中临界裂纹尺寸2ac=50mm，棱角构造中临界裂纹尺寸ac=25mm，根据设计应力σD=0.3σs、0.4σs、0.5σs、0.6σs，将桥梁杆件应力水平分为四个等级，同时考虑焊接残余应力σR=0.6σs、附加应力σc=0.3σs，分别计算了T形构造和棱角构造在不同应力等级下的断裂驱动力临界值；基于CTOD试验结果，提出建立断裂韧性与温度和板厚之间函数关系式的方法，并实际建立了Q690qE钢母材和焊缝的断裂抗力公式；依据断裂力学准则，分别计算了Q690qE钢在T形构造和棱角构造中最大允许板厚，形成了Q690qE钢防断选材表。 （4）基于上述研究成果，论文介绍了桥梁钢结构考虑防脆断性能的设计计算流程，并以某跨海大桥为工程背景，对桥梁中支点附近桁架节段采用Q690qE钢的防脆断设计进行了具体说明，给出桥梁关键杆件满足防脆断要求的建议厚度。 |
| 作者： | 左照坤 |
| 专业： | 桥梁与隧道工程 |
| 导师： | 刘晓光 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 中国铁道科学研究院 |
| 学位年度： | 2022 |
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