大纵肋钢-UHPC组合桥面板纵肋与横肋构造细节疲劳特性研究

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1、国内图书分类号：U448.36密级：公开国际图书分类号：624.04西南交通大学研究生学位论文大纵肋钢-UHPC组合桥面板纵肋与横肋构造细节疲劳特性研究（国家自然科学基金资助：51578455、51778533）年级二〇一五级姓名余佳申请学位级别工程硕士专业建筑与土木工程指导老师张清华教授指导老师卜一之教授二〇一八年五月ClassifiedIndex:U448.36U.D.C:624.04SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisFatiguePerfor

2、manceStudyofTransverseRibWebIntheCompositeDeckSystemComposedofOrthotropicSteelDeckwithlargelongitudinalRibsandUHPCLayerGrade:2015Candidate:YuJiaAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:ArchitectureandCivilEngineeringSupervisor:Prof.ZhangQin

3、ghuaSupervisor:Prof.BoYiZhiMay,2018西南交通大学硕士研究生学位论文第II页摘要针对传统正交异性钢桥面板中焊缝疲劳抗力不足等问题，提出采用大纵肋组合桥面板以减少焊缝数量并降低关键细节的应力集中程度。纵肋与横肋（隔板）交叉连接焊缝作为正交异性钢桥面板中典型疲劳易损细节之一，服役桥梁受频繁车辆轮载作用，且因该处手工施焊极易出现焊接初始缺陷。该部位构造复杂，应力集中严重，故该构造细节焊趾处极易萌生疲劳裂纹。大纵肋组合桥面板钢结构部分仍存在此类问题，为提高该细节疲劳抗力以及研究该

4、细节疲劳裂纹扩展规律，预测出现裂纹后的剩余疲劳寿命，对此结构的使用与推广具有重要意义，因此开展本文的数值模拟研究工作。本文所做研究工作及得出的主要结论如下：（1）建立大纵肋组合桥面板与传统正交异性钢桥面板的对比有限元模型，基于纵肋与横肋交叉构造细节突出大纵肋组合桥面板的优势，研究表明大纵肋组合桥面板能显著提高纵肋与横肋交叉构造细节的疲劳抗力。据传统正交异性钢桥面板研究成果及规范，拟定4种典型大纵肋组合桥面板横肋（隔板）开孔形式并分别建立ANSYS有限元模型，采用标准疲劳车加载，求解纵肋与横肋（隔板）交叉

5、构造细节热点应力影响线，通过前后轴轮载距离进行叠加得到热点应力历程，利用泄水法求得热点应力幅。再基于热点应力S-N曲线法和线性损伤累积理论，预测各个结构所对应构造细节的疲劳寿命，旨在研究横肋开孔形式对大纵肋组合桥面板该构造细节的影响。（2）提出一种适用于大纵肋组合桥面板的新型高疲劳抗力构造，即一种新型的横肋（隔板）开孔形式。有限元研究分析表明：该构造能有效提高大纵肋组合桥面板结构疲劳抗力，在不考虑残余应力的情况下，纵肋与横肋（隔板）交叉连接构造细节可实现无限疲劳寿命设计。（3）基于线弹性断裂力学原理、P

6、aris公式，将大纵肋组合桥面板纵肋与横肋（隔板）交叉连接焊缝焊趾处的疲劳裂纹简化为半圆形裂纹开展研究。结合子模型技术，采用有限元对大纵肋组合桥面板纵肋与横肋（隔板）交叉构造细节典型疲劳裂纹进行三维裂纹扩展数值模拟。以ANSYS有限元中的1/4节点奇异单元及相互作用积分法计算分析，求解裂纹前缘的应力强度因子幅值，再采用公式计算最终得出裂纹的扩展规律及疲劳寿命。（4）对裂纹扩展规律过程的研究表明：裂纹在纵肋厚度方向上扩展长度达厚度的75%左右时应力强度因子幅值开始下降，裂纹扩展速率同样呈下降趋势，而表面裂

7、纹随裂纹扩展长度增加，应力因子幅值增加到峰值后趋于平稳，裂纹扩展速率基本趋于平稳状态。裂纹稳定扩展状态时应力强度因子较峰值略有降低，分析原因为纵肋与横肋（隔板）交叉焊缝连接部位应力情况复杂，应力集中现象明显，当裂纹扩展达到一西南交通大学硕士研究生学位论文第III页定长度，超出较为复杂的应力区域后，裂纹应力强度因子则趋于平稳；此外，随着裂纹扩展长度的增加，弧形切口处纵肋与横肋（隔板）的约束作用逐渐减弱，板内裂纹扩展所在区域将发生应力重分布。（5）与传统正交异性钢桥面板三维裂纹扩展数值模拟进行了对比研究分析

8、，结果表明大纵肋组合桥面板裂纹前缘应力强度因子幅值和裂纹扩展速率均显著降低，结构萌生疲劳裂纹后剩余疲劳寿命改善效果良好。关键词：大纵肋组合桥面板；横肋（隔板）开孔形式；疲劳裂纹扩展模拟；线弹性断裂力学；应力强度因子西南交通大学硕士研究生学位论文第IV页AbstractAsfortheproblemofweldfailureinorthotropicSteelBridgeDeck,anewstructureoftheorthotropicst