【摘要】：正交異性鋼橋面板(Orthotropic Steel Deck,OSD)具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于各大橋梁中,具有良好的應(yīng)用前景。但OSD結(jié)構(gòu)一直存在疲勞開裂現(xiàn)象,降低了橋梁的適用性和安全性,極大影響了其使用和推廣�；⌒稳笨趯儆贠SD結(jié)構(gòu)疲勞開裂重點(diǎn)部位,自人們開始系統(tǒng)研究OSD結(jié)構(gòu)疲勞開裂以來,一直受專家學(xué)者的關(guān)注。但至今為止,針對弧形缺口的疲勞開裂處理方法仍然有限,在實(shí)際結(jié)構(gòu)中開裂現(xiàn)象也較為嚴(yán)重。為緩解OSD結(jié)構(gòu)的疲勞現(xiàn)象,近年來有學(xué)者提出了鋼-UHPC(Ultra-High Performance Concrete)輕型橋面組合體系。通過在橋面板鋪設(shè)35~65mm的UHPC層,可增大橋面剛度,降低OSD結(jié)構(gòu)各疲勞細(xì)節(jié)應(yīng)力。為深入研究輕型橋面組合體系中弧形缺口的應(yīng)力改善程度,本文通過有限元計(jì)算和實(shí)橋測試,對弧形缺口受力情況和應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了分析,主要研究內(nèi)容如下:(1)結(jié)合一座大跨自錨式懸索橋,針對OSD結(jié)構(gòu)鋪設(shè)UHPC層前、后兩種情形,分別建立空間實(shí)體有限元分析模型,并考慮了簡化加載、響應(yīng)面加載兩種方式進(jìn)行分析,獲得了弧形缺口應(yīng)力、變形分布規(guī)律與車輛軸載位置之間的關(guān)系,了解了弧形缺口區(qū)域應(yīng)力的分布情況,揭示了弧形缺口出現(xiàn)峰值拉、壓應(yīng)力的原因。結(jié)果表明:鋪設(shè)UHPC前、后弧形缺口關(guān)注點(diǎn)應(yīng)力特征隨荷載分布規(guī)律基本相同,面內(nèi)應(yīng)力為主、面外應(yīng)力較小,拉應(yīng)力主要由荷載偏載產(chǎn)生、加載區(qū)域長,而壓應(yīng)力主要由荷載直接作用于弧形缺口頂部產(chǎn)生、且加載區(qū)域短;采用傳統(tǒng)簡化加載方式難以獲得弧形缺口處準(zhǔn)確的拉應(yīng)力峰值,可能導(dǎo)致應(yīng)力幅偏小,由此提出了合理的加載方式。(2)采用三軸加載車分別在鋪設(shè)UHPC層前、后進(jìn)行兩次現(xiàn)場跑車試驗(yàn),采集了弧形缺口多個關(guān)注點(diǎn)在不同橫向加載位置的應(yīng)力響應(yīng)曲線,獲得了各點(diǎn)的應(yīng)力極值,并與有限元結(jié)果進(jìn)行了對比分析。試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果具有相同的規(guī)律:UHPC層對弧形缺口應(yīng)力峰值具有削減作用;當(dāng)車輛偏載時(shí),弧形缺口處出現(xiàn)較大拉應(yīng)力,當(dāng)車輛作用于弧形缺口之上時(shí),弧形缺口出現(xiàn)較大壓應(yīng)力;面內(nèi)應(yīng)力占比較大而面外應(yīng)力占比較小。此后對鋪設(shè)UHPC層后弧形缺口進(jìn)行了疲勞評估,結(jié)果表明弧形缺口疲勞壽命滿足規(guī)范要求。(3)選擇三種不同弧形缺口形式,采用響應(yīng)面加載方式進(jìn)行理論分析,并對計(jì)算結(jié)果分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),得到了對應(yīng)的應(yīng)力響應(yīng)面和影響線。在此基礎(chǔ)上,對比了鋪設(shè)UHPC前后弧形缺口應(yīng)力峰值大小,發(fā)現(xiàn)UHPC層對弧形缺口應(yīng)力峰值削減作用明顯;將三者弧形缺口應(yīng)力與荷載位置之間規(guī)律性進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)不同弧形缺口荷載-應(yīng)力關(guān)系具有相似性;同時(shí)弧形缺口之間的應(yīng)力幅值對比結(jié)果表明本橋五段線弧形缺口形式應(yīng)力幅較小,受力情況相對較好。綜上,鋪設(shè)UHPC層能有效減少弧形缺口應(yīng)力峰值,并在一定程度上能緩解疲勞問題,是OSD結(jié)構(gòu)提高疲勞性能的一種有效方案。
【圖文】：

面板構(gòu)造比較原始，采用的是鋼橋面板底部焊接縱橋向與橫橋向的倒 T，鋼橋面板直接承受車輛荷載，并傳力至橫梁與縱梁。相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體性較好，工作效率高。第二次世界大戰(zhàn)后，由于戰(zhàn)后重建的需要，德國工程師仿照船體結(jié)構(gòu)，交異性鋼橋面板。這種結(jié)構(gòu)直接將鋼橋面板與縱梁和橫梁焊接，橋面板主梁的上翼緣板參與受力，主梁又可以作為橋面板的支撐，這樣整個橋理，可以減小用鋼量，同時(shí)使橋梁建設(shè)周期大幅縮短。由于縱梁與橫梁，兩者剛度又有所不同，故稱為正交異性鋼橋面板。正交異性鋼橋面板分為開口肋和閉口肋。由于開口肋形式構(gòu)造簡單，施工方便，早期鋼橋口肋形式，但其抗扭剛度低，橋面板承載能力低，易產(chǎn)生較大變形，因密的橫梁和縱梁間距。而閉口肋形式有更高的抗扭剛度，抗形變能力較采用更寬的橫向間距[1]。隨著焊接技術(shù)的提高和鋼材加工工藝的成熟，式施工難度降低，其相對優(yōu)勢更加明顯，成為近十年來正交異性鋼橋面的構(gòu)造形式，被廣泛應(yīng)用于懸索橋、斜拉橋和城市高架橋中[2]。

有較為成熟的局部修補(bǔ)技術(shù)。但是，，正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)自身也存在一些問題，制約了該結(jié)構(gòu)的推廣與發(fā)展，其中最主要的就是鋼結(jié)構(gòu)的疲勞問題。當(dāng)車輛在橋面上行駛時(shí)，鋼橋面板會直接承受車輛荷載，使橋面板各細(xì)節(jié)承受較大的交變應(yīng)力。正交異性鋼橋面板中縱肋、橫梁與橋面板相互焊接，存在大量焊縫，受制于之前的焊接工藝，焊接區(qū)域?qū)嬖诳紫�、裂紋等初始缺陷，降低構(gòu)件承載能力。并且由于焊接高溫影響，會在焊縫附近產(chǎn)生殘余應(yīng)力，使局部區(qū)域在未承受荷載前就接近開裂或屈服狀態(tài)。現(xiàn)代工藝采用自動化焊接和科學(xué)的焊后處理技術(shù)，能大幅降低焊接的影響，但焊接部位及周邊區(qū)域仍然頻頻出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，本文所研究的弧形缺口區(qū)域，也屬于疲勞開裂區(qū)域之一�；⌒稳笨谄陂_裂區(qū)域大致分為兩種，一種位于弧形缺口起始區(qū)域，即 U 肋與橫隔板焊接部位，此處存在較大焊接殘余應(yīng)力，且由于幾何突變應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，開裂較為頻繁；另一種位于弧形缺口曲率較大處，由于弧形缺口對橫隔板具有削弱作用，因此在該處應(yīng)力集中現(xiàn)象也較為普遍，不恰當(dāng)?shù)募庸すに囈矔诖颂幰胼^大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致該區(qū)域開裂早于預(yù)期。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U443.31

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2686913