【摘要】：疲勞開裂是鋼橋的典型病害,疲勞評(píng)估是鋼橋研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。近年來(lái),中國(guó)既有鋼橋梁檢測(cè)發(fā)現(xiàn)大量疲勞裂紋且隨運(yùn)營(yíng)呈擴(kuò)展趨勢(shì),在橋梁日常檢查與評(píng)估工作中,如何評(píng)估和預(yù)測(cè)橋梁疲勞病害突顯必要。本文基于傳統(tǒng)疲勞評(píng)估理論,結(jié)合各國(guó)規(guī)范、焊接學(xué)會(huì)及船級(jí)社設(shè)計(jì)指南,在歸納總結(jié)疲勞車輛模型、典型鋼結(jié)構(gòu)病害細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上,以南京長(zhǎng)江三橋疲勞病害檢查結(jié)果為背景,建立精細(xì)化有限元模型開展疲勞影響參數(shù)分析,得到了適用于正交異性鋼橋面板研究的應(yīng)力影響面模型。應(yīng)用應(yīng)力影響面模型開展南京長(zhǎng)江三橋的疲勞評(píng)估,評(píng)估結(jié)果與疲勞病害發(fā)生部位吻合。研究成果可用于既有鋼橋正交異性鋼橋面板疲勞預(yù)測(cè)。本文主要就以下幾點(diǎn)進(jìn)行了討論研究:(1)參考中、美、歐等國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范與工程指南,基于傳統(tǒng)疲勞理論,論述了名義應(yīng)力法與熱點(diǎn)應(yīng)力法的評(píng)估流程與適用范圍;歸納總結(jié)了常用鋼橋疲勞荷載車輛模型。(2)根據(jù)工程中發(fā)現(xiàn)的疲勞裂紋,歸納總結(jié)了鋼橋最常見的8種疲勞病害細(xì)節(jié),分析了構(gòu)造細(xì)節(jié)的受力特點(diǎn)和破壞原因。(3)根據(jù)南京長(zhǎng)江三橋疲勞病害檢查結(jié)果,通過(guò)分析正交異性鋼橋面板7類典型疲勞裂紋的開裂程度發(fā)現(xiàn):疲勞裂紋集中發(fā)生于頂板與縱肋焊縫細(xì)節(jié)、縱肋與橫隔板焊縫細(xì)節(jié)及橫隔板過(guò)焊孔細(xì)節(jié),疲勞裂紋具有明顯的空間分布特征,與車輛橫向分布及車輛荷載有直接的關(guān)系。(4)運(yùn)用通用有限元軟件ANSYS建立精細(xì)化有限元模型,采用熱點(diǎn)應(yīng)力法進(jìn)行參數(shù)分析,研究考慮了鋪裝擴(kuò)散效應(yīng)、車輪尺寸效應(yīng)、輪載縱向應(yīng)力疊加和輪跡橫向概率分布,研究結(jié)果表明:車輛空間分布模型對(duì)疲勞效應(yīng)有直接的影響。(5)針對(duì)南京長(zhǎng)江三橋開裂的頂板與縱肋焊縫、縱肋與橫隔板焊縫及橫隔板過(guò)焊孔部位的幾種典型疲勞病害展開分析,基于疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力影響面模型,討論了縱向輪載應(yīng)力疊加作用和橫向輪跡概率分布作用;研究了車載影響面模型的適用范圍以及疲勞細(xì)節(jié)對(duì)各影響因素的敏感性。評(píng)估結(jié)果表明:中國(guó)常見重車的聯(lián)軸及多軸車引起的等效應(yīng)力幅受縱向應(yīng)力疊加效應(yīng)影響顯著,規(guī)范中簡(jiǎn)化的疲勞荷載模型適用范圍有限。車輛輪跡分布對(duì)各疲勞細(xì)節(jié)疲勞效應(yīng)影響趨勢(shì)一致,可在影響線模型基礎(chǔ)上引入車輛分布折減系數(shù)簡(jiǎn)化等效應(yīng)力計(jì)算。
【學(xué)位授予單位】：北京建筑大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：U445.71
【圖文】：

米的懸索橋——江陰長(zhǎng)江大橋建成。進(jìn)入 21 世紀(jì)，鋼橋建設(shè)已涵蓋跨海工程，已通車的港珠澳跨海大橋規(guī)模近 30km。不到百年時(shí)間中國(guó)鋼橋設(shè)計(jì)理論與技術(shù)已迅速趕超西方國(guó)家，未來(lái) 30 年，隨著中國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)橋梁將成為未來(lái)橋梁的主流橋型。然而，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論關(guān)注點(diǎn)多局限于結(jié)構(gòu)安全，對(duì)橋梁在使用周期內(nèi)的管理養(yǎng)護(hù)、維修加固、構(gòu)件更換等問(wèn)題涉及較少。設(shè)計(jì)與建設(shè)時(shí)期存在重視初期投資成本忽略全壽命周期總成本問(wèn)題，其結(jié)果將導(dǎo)致全壽命成本的增加，甚至危及基礎(chǔ)設(shè)施使用者人身安全。美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)的調(diào)查指出，80％至 90％的鋼結(jié)構(gòu)損壞與疲勞有關(guān)[1,2]。世界各國(guó)橋因的疲勞問(wèn)題引發(fā)了多起橋梁災(zāi)難，如：1994 年韓國(guó)首爾圣水河大橋鋼桁桿疲勞斷裂，如圖 1- 1 所示，造成 32 死 17 重傷的重大事故；2001 年中國(guó)宜賓金沙江橋吊桿腐蝕疲勞斷裂，橋面斷落造成 2 人死亡；2007 年美國(guó)密西西比跨河橋桁拱疲勞坍塌，如圖圖1- 2 所示，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。諸如此類災(zāi)害不勝枚舉，設(shè)計(jì)過(guò)程中滿足強(qiáng)度驗(yàn)證的橋梁在長(zhǎng)期復(fù)雜環(huán)境中仍會(huì)出現(xiàn)安全問(wèn)題，究其原因在于設(shè)計(jì)理論的理想化與施工工藝、運(yùn)營(yíng)環(huán)境和荷載情況差別巨大。材料強(qiáng)度理論假設(shè)與實(shí)際不符，對(duì)鋼材料內(nèi)在缺陷和病害引發(fā)機(jī)理的研究不夠深入，是造成災(zāi)難的直接原因[3-7]。

圖 1- 2 美國(guó)密西西比跨河橋倒塌前后中國(guó)建造的大量現(xiàn)代鋼橋是按照《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ025-86）設(shè)計(jì)的。該規(guī)范未危及疲勞問(wèn)題，因此當(dāng)時(shí)鋼橋的抗疲勞設(shè)計(jì)多參考美國(guó) AASHTO 規(guī)范和歐洲 Eurocode 規(guī)范進(jìn)行。直到 2015 年頒布的《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD64-2015），才出現(xiàn)了基于中國(guó)交通狀況和鋼結(jié)構(gòu)研究的疲勞規(guī)則。隨公路交通量、車重和車速大幅提高，按舊規(guī)范設(shè)計(jì)的橋梁使用狀況不容樂觀。21 世紀(jì)初期建設(shè)的大量鋼橋仍處于青壯年運(yùn)營(yíng)階段，但在近年常規(guī)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)大量疲勞病害，某些橋梁正交形鋼橋面板的疲勞裂紋達(dá)數(shù)千個(gè)。國(guó)內(nèi)外研究表明，正交鋼橋面板對(duì)局部效應(yīng)非常敏感，橋梁的安全性降低，并且增加了由疲勞引起的災(zāi)害的可能性。因此，針對(duì)我國(guó)公路鋼橋典型疲勞病害的分析及剩余壽命的評(píng)估勢(shì)在必行，現(xiàn)有橋梁如何維修加固，未來(lái)橋梁如何設(shè)計(jì)建設(shè)需要大量分析和實(shí)驗(yàn)綜合確定。準(zhǔn)確的預(yù)估病害發(fā)生部位并結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)提出合理的維護(hù)方案是亟待解決的問(wèn)題，也是重點(diǎn)關(guān)注的研究方向。1.2 公路鋼橋疲勞問(wèn)題研究歷史與現(xiàn)狀國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)疲勞的定義是：金屬材料在應(yīng)力或應(yīng)變反復(fù)作用下發(fā)生的性能變

能夠簡(jiǎn)單的在既有橋梁疲勞裂紋剩余壽命評(píng)估中運(yùn)用。綜上所述，基于 S-N 曲線的傳統(tǒng)的疲勞評(píng)估方法適用于鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)，既有橋勞病害預(yù)測(cè)；基于損傷力學(xué)的評(píng)估方法適用于鋼橋高周疲勞精確評(píng)估；基于斷裂力評(píng)估方法適用于已有疲勞裂紋鋼橋結(jié)構(gòu)剩余壽命評(píng)估。.4 本文研究?jī)?nèi)容中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展迅猛，21 世紀(jì)初中國(guó)興建了大量大跨鋼橋，未來(lái)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也鋼結(jié)構(gòu)為主流。中國(guó)鋼橋建設(shè)充分考慮了適用性與經(jīng)濟(jì)性，但僅十余年運(yùn)營(yíng)卻發(fā)現(xiàn)大量病害，其勞病害尤為突出。鋼材料疲勞萌生發(fā)展在微觀尺度，常規(guī)檢查難以發(fā)現(xiàn)，定期檢查發(fā)現(xiàn)的疲勞裂縫已擴(kuò)展到一定程度，損傷亟待修復(fù)。因此，需針對(duì)鋼橋疲勞機(jī)理及疲勞病害預(yù)測(cè)展開研究，以避免經(jīng)濟(jì)損失和重大事故發(fā)生。截至目前，中國(guó)尚未發(fā)行鋼橋疲勞預(yù)測(cè)、檢查與管養(yǎng)相關(guān)指南。因此本文基于經(jīng)勞理論結(jié)合各國(guó)規(guī)范進(jìn)行疲勞分析，提出適用于疲勞分析與預(yù)測(cè)使用的應(yīng)力影響面，并通過(guò)實(shí)際疲勞檢查結(jié)果提出疲勞預(yù)測(cè)簡(jiǎn)化參數(shù)。最后，調(diào)查北京市交通環(huán)境并新建鋼橋正交異性鋼橋面板進(jìn)行疲勞預(yù)測(cè)，向管養(yǎng)部門提出疲勞檢查建議。

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本文編號(hào)：2760801