【摘要】：疲勞開裂是鋼橋的典型病害,疲勞評估是鋼橋研究的熱點問題。近年來,中國既有鋼橋梁檢測發(fā)現(xiàn)大量疲勞裂紋且隨運營呈擴展趨勢,在橋梁日常檢查與評估工作中,如何評估和預(yù)測橋梁疲勞病害突顯必要。本文基于傳統(tǒng)疲勞評估理論,結(jié)合各國規(guī)范、焊接學(xué)會及船級社設(shè)計指南,在歸納總結(jié)疲勞車輛模型、典型鋼結(jié)構(gòu)病害細節(jié)的基礎(chǔ)上,以南京長江三橋疲勞病害檢查結(jié)果為背景,建立精細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江三橋的疲勞評估,評估結(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。本文主要就以下幾點進行了討論研究:(1)參考中、美、歐等國設(shè)計規(guī)范與工程指南,基于傳統(tǒng)疲勞理論,論述了名義應(yīng)力法與熱點應(yīng)力法的評估流程與適用范圍;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種疲勞病害細節(jié),分析了構(gòu)造細節(jié)的受力特點和破壞原因。(3)根據(jù)南京長江三橋疲勞病害檢查結(jié)果,通過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節(jié)、縱肋與橫隔板焊縫細節(jié)及橫隔板過焊孔細節(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)運用通用有限元軟件ANSYS建立精細化有限元模型,采用熱點應(yīng)力法進行參數(shù)分析,研究考慮了鋪裝擴散效應(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疲勞效應(yīng)有直接的影響。(5)針對南京長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焊孔部位的幾種典型疲勞病害展開分析,基于疲勞細節(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節(jié)對各影響因素的敏感性。評估結(jié)果表明:中國常見重車的聯(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)范中簡化的疲勞荷載模型適用范圍有限。車輛輪跡分布對各疲勞細節(jié)疲勞效應(yīng)影響趨勢一致,可在影響線模型基礎(chǔ)上引入車輛分布折減系數(shù)簡化等效應(yīng)力計算。
【學(xué)位授予單位】：北京建筑大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：U445.71
【圖文】：

米的懸索橋——江陰長江大橋建成。進入 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。不到百年時間中國鋼橋設(shè)計理論與技術(shù)已迅速趕超西方國家，未來 30 年，隨著中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)橋梁將成為未來橋梁的主流橋型。然而，傳統(tǒng)的設(shè)計理論關(guān)注點多局限于結(jié)構(gòu)安全，對橋梁在使用周期內(nèi)的管理養(yǎng)護、維修加固、構(gòu)件更換等問題涉及較少。設(shè)計與建設(shè)時期存在重視初期投資成本忽略全壽命周期總成本問題，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。美國土木工程學(xué)會的調(diào)查指出，80％至 90％的鋼結(jié)構(gòu)損壞與疲勞有關(guān)[1,2]。世界各國橋因的疲勞問題引發(fā)了多起橋梁災(zāi)難，如：1994 年韓國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)濟損失。諸如此類災(zāi)害不勝枚舉，設(shè)計過程中滿足強度驗證的橋梁在長期復(fù)雜環(huán)境中仍會出現(xiàn)安全問題，究其原因在于設(shè)計理論的理想化與施工工藝、運營環(huán)境和荷載情況差別巨大。材料強度理論假設(shè)與實際不符，對鋼材料內(nèi)在缺陷和病害引發(fā)機理的研究不夠深入，是造成災(zāi)難的直接原因[3-7]。

圖 1- 2 美國密西西比跨河橋倒塌前后中國建造的大量現(xiàn)代鋼橋是按照《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTJ025-86）設(shè)計的。該規(guī)范未危及疲勞問題，因此當(dāng)時鋼橋的抗疲勞設(shè)計多參考美國 AASHTO 規(guī)范和歐洲 Eurocode 規(guī)范進行。直到 2015 年頒布的《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTGD64-2015），才出現(xiàn)了基于中國交通狀況和鋼結(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營階段，但在近年常規(guī)檢查時發(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數(shù)千個。國內(nèi)外研究表明，正交鋼橋面板對局部效應(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，針對我國公路鋼橋典型疲勞病害的分析及剩余壽命的評估勢在必行，現(xiàn)有橋梁如何維修加固，未來橋梁如何設(shè)計建設(shè)需要大量分析和實驗綜合確定。準(zhǔn)確的預(yù)估病害發(fā)生部位并結(jié)合計算機技術(shù)提出合理的維護方案是亟待解決的問題，也是重點關(guān)注的研究方向。1.2 公路鋼橋疲勞問題研究歷史與現(xiàn)狀國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對疲勞的定義是：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

能夠簡單的在既有橋梁疲勞裂紋剩余壽命評估中運用。綜上所述，基于 S-N 曲線的傳統(tǒng)的疲勞評估方法適用于鋼橋抗疲勞設(shè)計，既有橋勞病害預(yù)測；基于損傷力學(xué)的評估方法適用于鋼橋高周疲勞精確評估；基于斷裂力評估方法適用于已有疲勞裂紋鋼橋結(jié)構(gòu)剩余壽命評估。.4 本文研究內(nèi)容中國鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展迅猛，21 世紀(jì)初中國興建了大量大跨鋼橋，未來基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也鋼結(jié)構(gòu)為主流。中國鋼橋建設(shè)充分考慮了適用性與經(jīng)濟性，但僅十余年運營卻發(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)的疲勞裂縫已擴展到一定程度，損傷亟待修復(fù)。因此，需針對鋼橋疲勞機理及疲勞病害預(yù)測展開研究，以避免經(jīng)濟損失和重大事故發(fā)生。截至目前，中國尚未發(fā)行鋼橋疲勞預(yù)測、檢查與管養(yǎng)相關(guān)指南。因此本文基于經(jīng)勞理論結(jié)合各國規(guī)范進行疲勞分析，提出適用于疲勞分析與預(yù)測使用的應(yīng)力影響面，并通過實際疲勞檢查結(jié)果提出疲勞預(yù)測簡化參數(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行疲勞預(yù)測，向管養(yǎng)部門提出疲勞檢查建議。

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本文編號：2760801