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原文传递考虑疲劳损伤的在役钢拱桥剩余承载能力评估方法

论文题名：	考虑疲劳损伤的在役钢拱桥剩余承载能力评估方法
关键词：	钢拱桥;剩余承载能力;车辆荷载;疲劳损伤;本构模型
摘要：	目前，国内外学者对钢拱桥极限承载能力的计算理论和计算方法进行了大量的研究，但是多局限于桥梁自身结构设计参数、最不利的荷载布置方式、桥梁的服役环境等因素对结构承载力的影响。随着交通荷载的增加、桥梁跨度的增大以及钢箱结构的进一步薄壁化，钢构件及其关键部位在承受车辆荷载反复作用下很容易累积疲劳损伤，导致钢材力学性能发生退化，进一步影响到结构的力学性能。在服役过程中，一旦构件或关键部位产生疲劳裂纹，将会影响结构的承载能力，威胁桥梁的运营安全。因此，对在役钢拱桥的承载能力进行评估可以及时掌握结构当前的基本性能，并对未来的承载能力发展趋势进行预测，以保证桥梁在整个运营生命中的安全。　　本文在国家自然科学基金项目(项目编号:51708485)的资助下，采用试验和数值分析的方法对疲劳损伤后钢材的力学性能以及钢板、钢桥墩和在役钢拱桥的极限承载能力进行了研究，研究内容如下: 　　预疲劳损伤对材料力学性能的影响取决于疲劳荷载和材料本身。以结构建设中常用的Q345qD结构钢为研究对象，进行了试样的拉伸试验、疲劳试验、预疲劳试验和预疲劳试样的后续拉伸试验;分析了预疲劳损伤对钢材力学性能的影响，并根据试验结果建立了预疲劳损伤后的弹塑性本构关系模型。结果表明，材料的屈服应力、极限应力、屈服平台长度和弹性模量等参数随着预疲劳损伤程度的增加而减小，而形状参数和初始切线模量的变化规律则与之相反。当预疲劳损伤程度达到0.6时，屈服平台逐渐消失;当预疲劳损伤程度达到0.9时，材料性能出现突然地快速退化。　　为了研究预疲劳损伤对钢板极限承载力的影响，采用数值分析的方法分别对无加劲钢板和加劲钢板进行了参数分析，探讨了宽厚比、纵横比、初始缺陷和预疲劳损伤程度对钢板承载能力的影响。结果表明，钢板的极限承载力随着宽厚比、初始缺陷、预疲劳损伤程度的增加而降低;纵横比的变化对钢板极限承载力的影响较小。根据参数分析结果，提出了宽厚比、初始缺陷和预疲劳损伤影响下的钢板承载能力预测公式。　　以薄壁箱型截面和圆形截面钢桥墩为研究对象，分析了宽厚比/径厚比、纵横比、轴压比及预疲劳损伤对构件极限承载力的影响。结果表明，钢桥墩的承载能力随着宽厚比/径厚比、轴压比及预疲劳损伤程度的增加而降低;当预疲劳损伤达到0.9时，钢桥墩的极限承载力大幅度下降。原因可能是结构发生了过大的初始疲劳损伤，已经接近破坏状态。纵横比的变化对钢桥墩极限承载力的影响较小。根据参数分析结果，提出了宽厚比/径厚比、轴压比和预疲劳损伤影响下的薄壁钢桥墩极限承载力预测公式。　　由于车辆荷载的反复作用，钢桥在服役期间很容易引起累积损伤。为了研究累积的疲劳损伤对在役钢拱桥剩余承载能力的影响，采用精细的板壳单元模型对两座上承式钢拱桥进行受力分析。结果表明，仅考虑车辆荷载的影响，在100年的服役过程中桥梁主要受力构件最大累积疲劳损伤程度在0.1～0.2之间，未直接发生疲劳破坏;钢拱桥承载能力因疲劳损伤发生下降，但降幅较小。通过对比发现，采用纤维梁单元模型计算所得的荷载系数高于板壳单元模型计算结果，且跨度越大，相差越大。这表明，采用纤维梁单元模型进行钢拱桥剩余承载能力评估的结果偏于保守。
作者：	胡晓梅
专业：	结构工程
导师：	唐站站
授予学位：	硕士
授予学位单位：	扬州大学
学位年度：	2023