【摘要】：鋼箱梁橋及正交異性鋼橋面板(OSD)具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、適用性廣等系列優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用在大跨度橋梁建設(shè)中。然而幾何缺陷、焊縫眾多、焊接殘余應(yīng)力、輪載作用等內(nèi)外因的耦合作用下,導(dǎo)致OSD結(jié)構(gòu)疲勞問題突出,特別是鋼箱梁縱橫肋處疲勞開裂最為嚴(yán)重,對(duì)于此處的疲勞性能評(píng)估,疲勞裂紋加固還待進(jìn)一步研究。本文結(jié)合一現(xiàn)有鋼箱梁橋,以縱橫肋交接處兩道裂紋作為研究對(duì)象,采用精細(xì)化數(shù)值模擬建模分析。本文進(jìn)行主要工作如下:(1)回顧并總結(jié)了疲勞研究問題的發(fā)展,焊接殘余應(yīng)力模擬,以及疲勞裂紋加固的研究現(xiàn)狀。(2)采用多尺度建模分析方法,得到了縱橫肋處受力特性。分別采用名義應(yīng)力法、熱點(diǎn)應(yīng)力法以及有效缺口應(yīng)力法,對(duì)縱橫肋交接處進(jìn)行疲勞性能評(píng)估,對(duì)比分析了不同疲勞評(píng)估方法的特性。(3)利用熱-彈塑性有限元模擬焊接過程,順序耦合法得到焊接動(dòng)態(tài)過程的溫度場和殘余應(yīng)力場。結(jié)果表明焊縫上會(huì)存在很大的殘余應(yīng)力,縱向焊接殘余應(yīng)力甚至超過了材料屈服強(qiáng)度,弧形切口處峰值焊接殘余應(yīng)力達(dá)207MPa。簡化模擬焊接殘余應(yīng)力在荷載往復(fù)作用下的耗散機(jī)制,得到了焊接殘余應(yīng)力在循環(huán)荷載作用下的變化特性,焊接殘余應(yīng)力松弛主要發(fā)生在第一個(gè)循環(huán)過程,且只有當(dāng)焊接殘余應(yīng)力和外荷載疊加進(jìn)入屈服狀態(tài),焊接殘余應(yīng)力才會(huì)發(fā)生重分布。(4)以橫隔板弧形切口作為研究對(duì)象,結(jié)合該處的車載受力特性,引入焊接殘余應(yīng)力,得到了基于母材S-N曲線評(píng)估疲勞性能的方法,計(jì)算結(jié)果表明,該疲勞評(píng)估方法能夠很好評(píng)估弧形切口處疲勞性能,為疲勞評(píng)估提供了一種新思路。(5)闡述了擴(kuò)展有限元基本概念,從擴(kuò)展有限元出發(fā),引入初始三維裂紋,計(jì)算關(guān)注位置的應(yīng)力強(qiáng)度因子,確定裂紋的擴(kuò)展模式。由此分析等效應(yīng)力強(qiáng)度因子,為疲勞裂紋是否擴(kuò)展提供依據(jù)。得到了不同裂紋長度下的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值,從而計(jì)算疲勞擴(kuò)展壽命。(6)結(jié)合前面的研究結(jié)果,對(duì)縱橫肋處疲勞裂紋提出了粘貼角鋼和STC鋪裝加固兩種加固方案,分別從受力情況,以及結(jié)合斷裂力學(xué)進(jìn)行評(píng)估,計(jì)算加固后的應(yīng)力和等效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值,判斷裂紋的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài),評(píng)價(jià)加固方案,計(jì)算表明粘貼角鋼能夠很好的改善U肋焊趾處的受力狀態(tài),最后推薦對(duì)此處疲勞裂紋采取粘貼角鋼+STC鋪裝加固的方案。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：U445.72;O346.1
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第 1 章 緒 論1.1 課題來源及研究的背景和意義1.1.1 課題來源本課題依托位于遼寧省鐵嶺新區(qū)的一座梭形獨(dú)塔鋼箱梁斜拉橋——凡河四橋，凡河四橋主橋結(jié)構(gòu)跨徑 140+110m，橋梁索塔兩側(cè)一側(cè)采用單索面，另一側(cè)為雙索面，其中在靠近橋塔的位置采用的是混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，其余部分為鋼箱梁結(jié)構(gòu)。鋼箱梁部分梁高 3m，箱梁全寬達(dá) 26.44m，采用的鋼材是 Q345q。凡河四橋橋塔新穎，造型優(yōu)美獨(dú)特，其總體布置圖見圖 1-1。

圖 1-2 凡河四橋部分病害現(xiàn)場照片1.1.2 研究的背景與意義鋼箱梁橋及 OSD 結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、適用性廣等特點(diǎn)，一般的 OSD 結(jié)構(gòu)指的是橋面板由縱橫加勁肋加強(qiáng)的構(gòu)造形式組成，其結(jié)構(gòu)在兩個(gè)垂直方向的剛度不同，相當(dāng)于兩個(gè)方向由不同彈性性質(zhì)的板組成。其中縱肋布置密集，剛度較大，橫肋布置稀疏，剛度較小。這種結(jié)構(gòu)受力具有典型的正交異性[1]，橋面板既作為箱梁的頂部翼緣，又是橋梁承重構(gòu)件，是大跨度鋼橋橋面板的首選形式。我國在引入該結(jié)構(gòu)之后，迅速應(yīng)用起來，現(xiàn)今該類型橋梁已達(dá) 200 余座[2]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，橋梁承受交通量迅速增長，車輛超載現(xiàn)象無法避免。而 OSD結(jié)構(gòu)本身焊縫多，存在許多焊接缺陷，幾何構(gòu)造缺陷等。這些問題導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中嚴(yán)重，傳力途徑不連續(xù)。因而 OSD 結(jié)構(gòu)所面臨的疲勞開裂問題也更加突出。下圖1-3 展示了部分 OSD 結(jié)構(gòu)的疲勞開裂現(xiàn)場圖。

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