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原文传递正交异性钢桥面板疲劳监测与试验研究

论文题名：	正交异性钢桥面板疲劳监测与试验研究
关键词：	正交异性钢桥面板;简化疲劳分析模型;热点应力;无损检测;环境荷载作用;桥梁结构;寿命评估
摘要：	正交异性钢桥面板因其自重轻、承载能力高、施工速度等优点而广泛应用于国内外的大型桥梁。然而，由于构造复杂、焊缝处应力集中效应显著等原因，在车辆等往复交变荷载作用下，部分焊接细节容易发生疲劳开裂。由于正交异性钢桥面板构造复杂，一旦开裂，疲劳裂纹的检查和修复将十分困难，给桥梁运营期间的养护管理带来较大难度。随着结构健康监测系统在国内外一些大型桥梁上的成功实施，通过分析长期疲劳应变监测数据，开展疲劳效应的时变性规律和环境荷载作用的影响性分析，为全面深入理解桥梁结构在服役期的疲劳性能提供了良好平台。　　本文从润扬长江大桥悬索桥和斜拉桥的长期疲劳监测出发，围绕公路钢箱梁桥钢桥面板的疲劳这一主题，系统开展了包括钢桥面板关键焊接细节疲劳效应的监测分析，简化疲劳分析模型，基于热点应力方法的疲劳试验和疲劳裂纹无损检测方法的适用性验证等四方面的研究，为大跨公路钢箱梁桥的疲劳监测分析和寿命评估技术的广泛应用提供了技术方法。主要研究内容为: 　　(1)研究了车载和环境温度对正交异性钢桥面板疲劳效应的影响性规律。基于运营状态下润扬大桥悬索桥的两类疲劳效应监测结果，即等效应力幅和应力循环次数，分析了其与环境温度、车流量间的相关性特征。通过建立铺装层-钢桥面板一体化疲劳分析模型，以等效应力幅和应力循环次数为研究参数，获取了顶板-纵肋和纵肋对接两类细节的疲劳效应与车流量、环境温度间的相关性关系。研究结果表明，两类细节的应力循环次数与车流量成正比;桥面沥青铺装层材性随环境温度变化而产生的差异对等效应力幅的影响显著;相比于监测结果，由相关规范推荐的车辆荷载模型计算得到的两类细节的应力循环次数均偏低，顶板-纵肋的等效应力幅计算结果吻合良好，而纵肋对接的计算结果则较为保守。　　(2)研究了正交异性钢桥面板典型细节疲劳性能的局部构造效应。从斜拉桥和悬索桥疲劳监测结果间差异性较大这一现象着手，根据两座桥梁钢箱梁设计参数的相似性，首先基于斜拉桥建立了钢箱梁疲劳分析的多尺度基准有限元模型，考察了三类典型轮载作用下两类关键构件的横、顺桥向的应力分布特征，进而开展了钢箱梁设计参数对应力代表值的敏感性分析。研究结果表明，顶板和纵肋两类关键构件应力分布具有显著的局部性特征;增厚顶板、纵肋和增加纵肋高度对降低顶板-纵肋和纵肋对接细节疲劳应力的效果较为显著，增厚横隔板对降低两类细节的疲劳应力效果几无作用，而减小横隔板间距可有效降低纵肋对接细节的疲劳应力，但可能会增加顶板纵肋焊接细节的疲劳应力。其中，增厚顶板和增高纵肋对降低顶板-纵肋和纵肋对接细节的疲劳应力水平效果最为有效。　　(3)研究并建立了正交异性钢桥面板疲劳效应的简化分析方法。以等效应力幅为目标参数，基于疲劳分析的初始模型开展了模型参数的敏感度分析与优化分析，建立了车辆荷载作用下钢桥面板疲劳效应计算的简化分析方法。研究结果表明，钢桥面板第一结构体系对钢桥面板疲劳效应的影响很小，只需考虑钢桥面板第二、三结构体系的影响，故可直接采用钢桥面板的局部构件模型进行疲劳效应计算，局部构件模型的边界条件为顺桥向支承在横隔板上、横桥向支承在顶板纵肋上;推荐采用以等效应力幅Se为分析指标对简化分析模型的计算参数进行敏感度分析，最终建立钢桥面板疲劳荷载效应简化计算方法。　　(4)研究并建立了名义应力和热点应力的疲劳抗力模型。通过开展正交异性钢桥面板顶板-纵肋细节节段模型的静载试验，获取了焊缝附近的应力分布规律，得到了疲劳应力集中系数(SCF)特征;开展了十二个构件的四级名义常应力幅疲劳试验，基于名义应力法和热点应力法分别建立了用于疲劳设计和疲劳评估的名义和热点应力疲劳抗力模型。研究结果表明，各构件均在焊趾I处（即顶板位置）发生疲劳开裂，裂纹形态为典型的顶板贯穿型，属于脆性破坏;以热点应力表示的lgS-lgN散点图的离散性较小，表明采用热点应力抗力模型用于疲劳评估的准确性更高;通过对比已有规范，可分别建立顶板-纵肋细节用于设计的名义应力和热点应力疲劳抗力简化模型。　　(5)研究了金属磁记忆和相控阵超声技术对钢桥面板疲劳裂纹检测的适用性规律。通过开展Q345B钢材的材料拉伸试验、正交异性钢桥面板的静载和疲劳试验，研究了母材和焊缝位置处矫顽力参数随静载和疲劳过程的变化规律，以及与弹塑性应变、疲劳裂纹等荷载效应的相关性特征;开展了相控阵超声检测技术用于正交异性钢桥面板疲劳裂纹检测的探索性研究。研究结果表明，矫顽力值对塑性应变的变化更为敏感而对弹性应变的变化则不敏感，焊缝处矫顽力水平显著高于母材，焊缝垂直方向的矫顽力水平显著高于平行方向。宏观疲劳裂纹出现前后矫顽力值的变化最为显著，表明金属磁记忆技术对正交异性钢桥面板疲劳裂纹检测的适用性较好。相控阵超声技术可真实、有效反映结构母材和焊缝处缺陷和裂纹形态，具有较强的可操作性和可视化效果，可实现对隐蔽部位缺陷和裂纹的无损检测。
作者：	宋永生
专业：	土木工程
导师：	李爱群;丁幼亮
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文