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温度和车辆速度耦合效应下正交异性钢桥面板疲劳寿命的研究
| 论文题名： | 温度和车辆速度耦合效应下正交异性钢桥面板疲劳寿命的研究 |
| 关键词： | 钢桥面板;环境温度;车辆速度;断裂力学;疲劳寿命 |
| 摘要： | 目前，我国交通运输业快速发展，存在着对大跨径钢箱梁桥梁的需求量越来越大，应用范围越来越广的实际情况。我国工程师在设计大跨径钢结构桥梁时，广泛应用正交异性钢桥面板，以便减轻桥重、缩短工期。然而，随之而来的疲劳问题成为了该类结构的焦点问题。了解沥青铺装层动态模量变化规律，研究正交异性钢桥面板内部疲劳裂纹扩展机理，对促进钢桥的设计和养护工作十分关键。本文研究了温度和车辆速度耦合效应对正交异性钢桥面板疲劳寿命的影响，并通过试验研究和数值分析的方法对该问题进行论述，主要工作及结论如下： （1）结合线弹性断裂力学基本理论和扩展有限元法，分析疲劳裂纹扩展机理。采用断裂力学基本概念，通过经典的Paris公式，对裂纹扩展准则进行理论公式推导。采用扩展有限元法对疲劳裂纹扩展这一不连续问题进行求解。 （2）考虑到沥青铺装层和正交异性钢桥面板产生的复合刚度对整体结构的疲劳寿命存在影响，需对沥青材料进行试验研究。选用沥青混合料SMA-13和SUP-20为试验材料，进行各温度和加载频率下的动态模量试验，找出沥青混合料的动态模量与环境温度和加载频率之间的变化规律。根据试验结果，建立加载频率与车速之间的转化关系，得到了在所选车辆速度下沥青混合料的动态模量。 （3）以安庆长江公路大桥三节标准段为研究对象，采用半椭圆形裂纹模拟顶板与U肋焊接细节处的疲劳裂纹，建立含有三维疲劳裂纹的有限元模型。施加不同温度和车辆速度的加载工况，对萌生于U肋与顶板连接处焊根与焊趾上疲劳裂纹的扩展进行数值模拟。发现焊根与焊趾处的疲劳裂纹扩展并不总在同一平面，而是发生轻微偏转；在裂纹扩展深度相同的情况下，同一速度工况下的I型裂纹累计应变能释放率总值相近，但加载循环次数不同；顶板与U肋连接处的疲劳裂纹，在同一行车速度工况下，裂纹扩展寿命随着温度的上升而增加；在温度不变的情况下，温度较低时，行车速度对裂纹扩展寿命的影响不大；温度在20℃~45℃范围内，行车速度为100km/h时，裂纹扩展寿命为最小值。 （4）基于线弹性断裂力学分析法，对正交异性钢桥面板在温度和车速耦合效应下的疲劳寿命进行评估。通过雨流计数法对实桥数据（日交通量、轴重等）进行统计，得到可用于疲劳计算的车辆荷载频值谱。运用有限元软件对不同加载工况下的疲劳裂纹尖端附近应力进行计算，根据计算结果结合疲劳寿命计算公式对钢桥面板疲劳寿命进行评估。发现温度的变化所导致的疲劳寿命更加明显，最大变化幅度为32.3%；车速导致的疲劳寿命变化幅度较小，在1.7~2.2%之间。 |
| 作者： | 许驰昊 |
| 专业： | 结构工程 |
| 导师： | 黎明 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 苏州科技大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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