钢桥正交异性桥面系横隔板疲劳性能研究

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1、天津大学博士学位论文钢桥正交异性桥面系横隔板疲劳性能研究ResearchonFatigueBehaviorofDiaphragmsforOrthotropicDecksofSteelBridgeStructures【申请博士学位】一级学科：土木工程学科专业：结构工程博士生：赵博指导老师：朱涵教授天津大学建筑工程学院二零一七年五月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学

2、位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据摘要摘要随着我国“一带一路”发展战略

3、的实施，欧亚交通体系的建设、交通物流量和客流量日益增长，桥梁作为陆地交通体系中不可或缺的部分，将会越来越多的被设计和建造。正交异性钢桥面板因其具有自重轻和承载力高等优点，在现代钢桥中得到广泛应用，但在交通荷载作用下，正交异性钢桥面板存在明显的疲劳问题，尤其是横隔板的疲劳开裂问题严重影响着正交异性桥面板的应用和发展。本文通过理论分析、试验研究与数值模拟相结合的方法，从钢材疲劳性能、疲劳寿命分析方法及桥梁荷载频值谱等方面，开展了对钢桥正交异性桥面系横隔板疲劳性能的研究。研究内容和成果包括以下五个方面：（1）针对我国钢桥常用的Q345qD钢材

4、，开展了标准光滑疲劳试件的材料疲劳试验，得到其应变-寿命（ε-N）曲线。通过回归分析确定了Q345qD钢材的Coffin-Manson方程及钢材的过渡寿命，为正交异性桥面板疲劳寿命的准确分析提供依据。（2）在桥梁现场进行了正交异性钢桥面板在车辆荷载作用下的静力试验，得到正交异性桥面系横隔板的应力分布形式。采用通用有限元软件ABAQUS建立正交异性钢箱梁有限元模型，对试验过程进行数值模拟，分析结果与试验吻合良好。结合数值分析和现场试验结果，明确了车辆荷载作用下正交异性桥面系横隔板应力分布特点及荷载位置对其应力分布的影响。（3）针对典型正交异

5、性桥面系横隔板构造细节，设计和制作了3个足尺试验试件，并进行静力和疲劳加载试验。静力加载试验结果表明该模型与真实桥面系横隔板局部应力分布形式一致。通过对疲劳试验结果的分析，了解了正交异性桥面系横隔板的疲劳开裂特点，发现疲劳裂缝均出现在U肋下侧横隔板弧形开孔部位，大致沿水平方向扩展。横隔板与U肋连接焊缝、横隔板上U肋与顶板焊缝的过焊孔位置未出现疲劳裂缝。（4）建立足尺疲劳试验的有限元数值分析模型，采用局部应变法和临界距离理论分别对正交异性桥面系横隔板试验试件进行疲劳寿命评估，并对两种方法的适用性进行讨论，与试验结果的比较表明两种方法的预测

6、精度都在可接受的范围之内。针对临界距离理论，提出了疲劳参数选取和具体计算方法选用的建议，并拟合得到基于临界距离理论的正交异性桥面系U肋下侧横隔板开孔位置的S-N曲线。（5）针对港口周边货运交通线桥面道路进行交通调查，确立了11种车辆万方数据摘要的轴重、轴距和出现频率，根据等效疲劳损伤原理，建立由5种模型车辆组成的荷载频值谱。该荷载频值谱适用于大型卡车、拖车等重型车辆占交通流比重较大的公路。结合正交异性钢箱梁有限元分析结果，得到横隔板局部应力频值谱。最终基于本文建立的正交异性桥面系U肋下侧横隔板开孔位置的S-N曲线和简化的车辆疲劳荷载应力

7、频值谱对该构造细节进行了疲劳验算，为同类型正交异性桥面板的疲劳寿命评估提供了有益参考。关键词：正交异性钢桥面系横隔板；疲劳试验；疲劳寿命评估；临界距离理论；车辆荷载频值谱万方数据摘要ABSTRACTWiththeimplementationoftheChina-proposedOneBeltandOneRoadInitiative(i.e.theSilkRoadEconomicBeltandthe21st-CenturyMaritimeSilkRoadInitiative),theconstructionoftrafficsystem,

8、trafficflowandtrafficvolumeinEurasiakeepsgrowing.Therefore,thedemandfordesigningandconstructingnewbridg