钢桥面外变形疲劳损伤机理及维护策略研究

论文摘要

目前,强度、刚度、稳定性控制着钢结构设计的主要方面,然而按照这种指导思想设计的桥梁结构面临较为普遍的疲劳问题。而面外变形疲劳在钢桥的疲劳中相当普遍,钢桥中常见的面外变形疲劳主要有两类,一类是随着极限状态设计法的推广与腹板屈曲后强度的利用,设计上允许结构承受高于其临界屈曲荷载的外荷载作用,这样结构在正常使用状态即出现明显的“呼吸”特征,导致裂纹在腹板边缘焊趾处萌生、扩展,最终疲劳失效,即腹板的呼吸疲劳；另一类是由于结构在运营过程中,相互交错的构件之间发生了在设计阶段未曾预料的相互作用,这种相互作用使得结构的细节,如腹板间隙处于复杂的受力状态,易于发生面外变形,导致桥梁因面外变形产生疲劳破坏。本文参考国内外桥梁钢结构面外变形疲劳评估的文献,利用有限元数值分析方法分析了桥梁结构中典型面外变形疲劳细节的受力行为,并对其主要影响因素进行了参数分析,探究了桥梁结构面外变形的疲劳损伤机理,结合一既有铁路钢桥实测资料,对该桥的面外变形疲劳寿命进行了评估。本文的主要研究工作如下：1.总结了国内外有关桥梁面外变形疲劳问题及其维修策略的研究成果和研究方法。由于影响面外变形疲劳问题的不确定因素较多,一般都采用试验的方法来获得结构在受力过程中所承受的应力,然后结合传统的疲劳分析方法或基于断裂力学的疲劳寿命评估方法,对结构裂纹的扩展及其寿命进行评估。2.建立了三维有限元数值分析模型对桥梁结构中典型面外变形疲劳构造与细节进行分析,对影响面外变形疲劳的主要参数进行了分析,对如何在新建桥梁中避免发生面外变形疲劳提出了建议。3.对几种典型面外变形疲劳问题维修方法通过数值模拟的方法进行了验证分析,确定了其适用条件。4.结合有限元分析结果与现场测量数据,对某既有铁路钢桥面外变形疲劳裂纹形成机理进行了分析,并采用断裂力学方法对其剩余寿命进行了评估,对进一步的维修提出了建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 钢桥腹板的呼吸疲劳
• 1.2.2 钢桥中腹板间隙面外变形引起的疲劳
• 1.2.3 腹板面外变形引起疲劳裂纹的维修
• 1.3 钢桥剩余寿命与使用安全评估方法
• 1.3.1 传统疲劳分析方法
• 1.3.2 断裂力学方法
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 钢桥腹板呼吸疲劳
• 2.1 概述
• 2.2 腹板受力分析
• 2.2.1 弹性剪切屈曲
• 2.2.2 初始缺陷的影响
• 2.2.3 二次弯曲应力
• 2.2.4 表面主应力
• 2.3 腹板呼吸疲劳裂纹的扩展
• 2.4 呼吸疲劳寿命的断裂力学方法预测
• 2.5 腹板抗疲劳设计
• 2.5.1 欧洲规范
• 2.5.2 美国AISC规范
• 2.5.3 美国AASHTO-1989
• 2.5.4 中国钢结构设计规范
• 2.6 本章小结
• 第三章 钢桥腹板间隙面外变形疲劳
• 3.1 概述
• 3.2 钢桥面外变形疲劳损伤机理
• 3.2.1 腹板间隙尺寸的评估
• 3.2.2 单位横向联系对应的主梁竖向位移差的评估
• 3.3 钢桥中面外变形引起疲劳的敏感细节
• 3.3.1 主梁翼缘与加劲肋端部的腹板间隙
• 3.3.2 主梁与横向联接系腹板间隙
• 3.3.3 横向连接板腹板间隙
• 3.3.4 支座沉降
• 3.4 面外变形疲劳裂纹维修策略
• 3.4.1 裂纹尖端设置止裂孔
• 3.4.2 增大腹板间隙的刚度
• 3.4.3 增大腹板间隙
• 3.4.4 其他方法
• 3.5 本章小结
• 第四章 钢桥面外变形数值分析
• 4.1 腹板呼吸疲劳参数分析
• 4.1.1 基本资料
• 4.1.2 计算方法
• 4.1.3 计算结果及分析
• 4.2 主梁加劲肋腹板间隙面外变形疲劳参数分析
• 4.2.1 基本资料
• 4.2.2 计算方法
• 4.2.3 计算结果及分析
• 4.3 主梁-横梁体系腹板间隙面外变形疲劳参数分析
• 4.3.1 基本资料
• 4.3.2 计算方法
• 4.3.3 计算结果及分析
• 4.4 桥梁腹板间隙面外变形维修策略研究
• 4.4.1 止裂孔维修
• 4.4.2 增大腹板间隙尺寸
• 4.5 本章小结
• 第五章 既有铁路钢桥面外变形疲劳剩余寿命评估
• 5.1 工程实例简介
• 5.2 陇海线下行线渭河大桥工作模型的建立
• 5.2.1 模型简化原则
• 5.2.2 模型计算与实测数据对比
• 5.3 桥梁面外变形疲劳裂纹现场测试
• 5.3.1 测试荷载
• 5.3.2 动载应力
• 5.3.3 桥梁面外变形疲劳裂纹
• 5.3.4 现场应力谱测试
• 5.4 疲劳细节有限元分析
• 5.4.1 子模型技术及其应用
• 5.4.2 细节受力分析
• 5.5 基于断裂力学的既有铁路桥梁疲劳寿命评估
• 5.5.1 裂纹扩展寿命估算方法
• 5.5.2 焊接钢桥断裂力学评估模型
• 5.5.3 疲劳寿命评估
• 5.5.4 维修方法评定
• 5.5.5 维修策略研究与建议
• 5.6 本章小结
• 结论与建议
• 结论
• 建议
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢