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原文传递基于结构应力法的正交异性桥面板疲劳性能研究

论文题名：	基于结构应力法的正交异性桥面板疲劳性能研究
关键词：	正交异性桥面板;结构应力法;主S-N曲线;疲劳失效模式;复杂应力状态
摘要：	正交异性桥面板具有轻质高强、结构整体刚度大、装配化程度高、组装便捷等综合性能高的优点，用钢量比普通传统钢桥减少了50%以上。在役桥面板受车辆轮载作用，顶板、U肋、横隔板等位置易产生疲劳裂纹缺陷，缩短了桥面板的服役周期。桥梁领域可借鉴的疲劳设计标准及已有研究多基于以正应力为主简化的单轴S-N曲线评估方法，而横隔板弧形非焊接区域等位置为复杂应力承载状态，因而现有标准不能简单平行移植，这种应用短板也直接影响到桥梁设计寿命的准确性。同时现有评价方法尚未实现能统一预测不同失效模式。在我国大体量建设跨海大桥的当下，每一座正交异性桥面板的设计和建造中，均投入大量的人才物力开展构件疲劳性能研究，业内工程数据冗余累计却无法究其机理，上升为行业内理论性指导原则。因而开发一种普适性的、可准确预测正交异性桥面板承载状态、失效模式及疲劳寿命的方法是行业内的迫切需求。基于此，本文开展了桥面板顶板、U肋、横隔板疲劳性能的系统研究，主要围绕以下三个方面的研究工作：　　（1）桥面板顶板疲劳性能试验研究及分析　　对36个正交异性桥面板顶板试件，开展了拉-拉荷载作用顶板穿透板厚疲劳试验研究。测量了不同宽度试件焊缝位置的残余应力，对试件尺寸的合理性进行了讨论。基于相控阵监测结果，明确了桥面板顶板试件穿透板厚的疲劳失效路径，并与结构应力法定义的板厚开裂路径进行了对比。研究了单双面焊缝形式、熔透率、角变形等焊接质量因素及荷载应力比对桥面板疲劳性能的影响规律，提出了考虑疲劳性能评估影响因素的等效结构应力幅值计算公式，解决了现有评估规范的标准应用短板问题，完善了等效结构应力法的理论体系。　　（2）桥面板U肋疲劳性能试验研究及分析　　通过设置合理约束距离的方法，对6个桥面板试件设计了U肋焊趾位置失效的三点弯曲疲劳试验，讨论了结构应力法预测桥面板U肋疲劳失效模式的适用性。对行业内桥面板三点弯曲试验多种失效模式进行了统一预测，提出了桥面板三点弯曲疲劳试验失效模式与约束距离的关系，为桥面板三点弯曲疲劳试验提供了设计依据。基于正交异性桥面板疲劳试验及结构应力法预测评估结果，建立了基于结构应力法的桥面板焊接构件疲劳性能主S-N曲线，明确了在役钢桥U肋焊趾位置疲劳裂纹缺陷的开裂机理，完善了正交异性桥面板结构抗疲劳设计准则。　　（3）考虑复杂应力状态的桥面板疲劳性能研究　　利用考虑剪应力的组合结构应力法对横隔板非焊接区域的疲劳性能进行预测评估，明确了横隔板弧形非焊接区域疲劳裂纹的萌生机理，准确描述了弧形非焊接区域的复杂应力状态，验证了评估方法的适用性和准确性。基于疲劳试验验证的组合结构应力法开展参数分析，明确了疲劳荷载模式、桥面板焊缝形式、构件参数对桥面板疲劳性能的影响规律，以指导桥面板工程维护加固及疲劳设计。
作者：	杨海波
专业：	土木工程
导师：	钱宏亮
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021