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原文传递高性能钢桥受力性能试验与设计方法研究

论文题名：	高性能钢桥受力性能试验与设计方法研究
关键词：	高性能钢桥;受力性能试验;设计方法;控制指标
摘要：	与传统桥梁用钢相比，高性能钢（HPS）在强度、可焊性、断裂韧性和耐候性等方面都有很大的改善，这些优越的材料特性实现了高性能钢桥的经济高效和低碳环保，是一种新型桥梁结构用钢。迄今为止，诸多发达国家不仅重视高性能钢材的研发，而且致力于高性能钢桥的研究与工程建设。这些使用中的高性能钢桥体现了良好的结构性能和全寿命经济性。目前，我国已致力于高性能钢的研发，并研发出多种高性能桥梁用钢产品，但名义屈服强度超过420MPa以上的高性能钢材尚未纳入我国的公路钢桥设计规范。为了推动高性能钢桥设计规范的建立，推广高性能钢桥在我国的安全建设，本文以我国国产高性能钢HPS485W（名义屈服强度为485MPa）为研究对象，以钢桥的三种典型失效形态（屈服、疲劳断裂和失稳）为切入点，从防断裂设计、抗疲劳设计、加工制造工艺、结构的强度设计和稳定设计等方面对高性能钢桥展开研究：　　（1）从防断裂设计角度，对HPS485W展开系列断裂韧性试验研究，包括夏比冲击韧性（CVN）试验、延性断裂韧度（JIC）试验、裂纹尖端张开位移（CTOD）试验，为高性能钢桥的安全评定和防断裂设计提供了试验依据。试验结果表明HPS485W具有较高的断裂韧性，HPS485W的韧脆转变温度较传统桥梁钢Q345更低，可应用于严寒地区的结构物，HPS485W的母材断裂韧性（CTOD）属于BS7910《金属结构缺陷可接受性评定方法指南》失效评定曲线的合格范围。　　（2）从高性能钢桥的抗疲劳设计与寿命预测角度，对HPS485W母材及典型焊接接头分别展开抗疲劳性能试验研究。对7.5mm、12.5mm和19.5mm的HPS485W母材分别在应力比R=0.1、0.5和0.8的疲劳荷载下进行疲劳裂纹扩展速率（da/dN）试验，并测定了19.5mm厚高性能钢试样的门槛值，采用Paris公式确定了HPS485W的疲劳裂纹扩展速率，研究结果表明高性能钢母材具有更优越的耐受疲劳裂纹扩展能力；对桥梁结构中典型的焊接接头展开疲劳试验研究，探讨高性能钢HPS485W焊接构件的高周疲劳损伤破坏过程及其特征，确定了HPS485W对接焊接头的疲劳等级。　　（3）在高性能钢桥的制造工艺方面，开展高性能钢焊接工艺评定的系列试验研究，包括焊缝X射线探伤、对接接头拉伸试验、对接焊缝侧弯试验、T型接头抗弯试验、对接焊缝及热影响区的冲击韧性试验，评估了高性能钢的焊缝质量，确定了焊接工艺，为高性能钢桥的制造提供参考。　　（4）从试验验证、数值计算和理论分析三方面进行高性能钢梁的抗弯性能研究。完成了12片高性能钢简支工字钢梁的抗弯试验研究，分析了试验梁的抗弯承载力、弹塑性变形、试验梁失效模式和局部屈曲位置，获得了高性能钢抗弯钢梁的弹塑性受力特征；采用有限元程序 ANSYS，考虑材料本构关系、侧向约束条件、残余应力、网格密度、初始几何缺陷等因素的影响，建立能够有效模拟试验梁抗弯过程和破坏形态的有限元模型，通过参数分析提出高性能钢梁的设计建议；对高性能钢梁进行翼缘和腹板的局部屈曲分析及整体侧倾失稳分析，提出高性能钢梁的强度设计指标和变形控制指标，提出高性能钢梁的截面设计限值公式与侧向约束设计建议。　　（5）对高性能钢工字钢梁的腹板抗剪性能进行了理论研究、有限元参数分析及初步的试验研究，分析了高性能钢梁的抗剪承载能力计算方法，明确了关键参数对高性能钢梁腹板剪切屈曲和抗剪极限承载能力的影响规律，提出高性能钢梁抗剪设计的设计建议。　　（6）基于本文研究成果，归纳提出高性能钢桥的设计指南与设计建议。在相同的工程背景，提出高性能钢板梁桥与普通钢板梁桥的方案设计，总结高性能钢板梁桥的工程优越性，为高性能钢桥的建设提供工程参考。
作者：	段兰
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	胡兆同;王春生
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文