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钢-UHPC组合桥面板栓钉的剪切强度和疲劳寿命分析
| 论文题名： | 钢-UHPC组合桥面板栓钉的剪切强度和疲劳寿命分析 |
| 关键词： | 钢-UHPC组合桥面板;中短栓钉;层间切应力;剪切强度;疲劳寿命 |
| 摘要： | 钢-UHPC组合桥面板是用于正交异性钢桥面板的一种新型桥面铺装，它能有效地减少正交异性钢桥面板的桥面铺装病害和焊缝疲劳裂纹。承受钢顶板与UHPC层之间切应力的栓钉是影响组合桥面板抗弯刚度的重要构件。本文分别基于子模型评估钢-UHPC组合桥面板栓钉剪切强度和基于一个高效断裂力学模型研究栓钉的抗剪疲劳性能，主要研究内容与成果如下： （1）建立计算钢-UHPC组合桥面板层间切应力的子模型。以天津海河大桥为工程背景分别建立了计算钢顶板与UHPC层之间切应力的钢箱梁节段模型、简化模型以及基于钢箱梁节段的子模型。通过层间切应力计算结果对比，确定子模型可以作为准确高效地计算钢-UHPC组合桥面板层间切应力的有限元模型。 （2）钢-UHPC组合桥面板栓钉剪切强度评估。基于子模型确定组合桥面板上最不利横向载荷位置。研究结果表明，车辆载荷作用下的钢-UHPC组合桥面板层间切应力最大值总是发生在横隔板上方。按四种常规钢混组合结构中栓钉抗剪承载力计算公式验算了钢-UHPC组合桥面板中栓钉的剪切强度，通过与试验结果对比表明使用这种方法评估钢-UHPC组合桥面板中短栓钉的剪切强度存在较大局限性。通过在横隔板平面上的U肋内部填充隔板的方法可以有效改善组合桥面板层间切应力分布状态并将组合桥面板的层间切应力降低50%以上。 （3）栓钉焊缝裂纹的三维断裂力学分析。基于Schwartz-Neuman交替法建立了栓钉焊缝三维断裂力学模型，计算结果表明栓钉焊缝根部焊趾处的裂纹比其上部焊趾裂纹更易造成焊缝的疲劳破坏，透焊栓钉比围焊栓钉疲劳强度更高。在钢顶板与UHPC层之间剪力作用下的栓钉焊缝裂纹属于混合型（Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ）裂纹。初始裂纹尺寸、初始裂纹角度以及栓钉焊接面积均对裂纹应力强度因子有较大影响。 （4）基于焊缝裂纹扩展预测栓钉疲劳寿命。栓钉焊缝裂纹在扩展过程中会呈现非平面扩展，并由混合型裂纹逐步转为Ⅰ型裂纹。基于Schwartz-Neuman交替法得到的推出试件中栓钉疲劳寿命的预测值与推出疲劳试验中的实测值吻合。 所建立的子模型为大型桥梁结构的应力分析提供一种准确和高效的有限元模型，所用的断裂力学模型为钢桥焊缝的疲劳评估提供了一个可靠和高效的数值方法。 |
| 作者： | 李广耀 |
| 专业： | 固体力学 |
| 导师： | 石广玉 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2020 |
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