正交异性钢桥面板典型焊缝的疲劳计算方法研究

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1、学校代码：10286分类号：TU391密级：公开UDC：624学号：150898正交异性钢桥面板典型焊缝的疲劳计算方法研究研究生姓名：钟杰导师姓名：靳慧教授申请学位类别工学硕士学位授予单位东南大学一级学科名称力学论文答辩日期2018年6月5日二级学科名称工程力学学位授予日期2018年月日答辩委员会主席李兆霞教授评阅人S005310-1S005310-22018年6月9日硕士学位论文正交异性钢桥面板典型焊缝的疲劳计算方法研究专业：工程力学硕士研究生：钟杰导师：靳慧本论文获国家重点研发计划课题（2017YFC0805103）资助ResearchonFatigueAnalysisMethodsAp

2、pliedforTypicalWeldsofOrthotropicSteelDeckADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYZhongJieSupervisedbyJinHuiCollegeofCivilEngineeringSoutheastUniversityMay2018摘要摘要现今正交异性钢桥面板被广泛应用于国内外的大、中跨径桥梁中，这其中的很多桥梁的焊缝连接处都不同程度的出现了疲劳裂纹，这些裂纹无疑缩短了桥梁的使用寿命。目前针对正交异性桥面板焊缝的疲劳

3、计算方法的研究还较少，名义应力法在应用于桥面板焊缝疲劳计算时选择相对应的S-N曲线较为困难；热点应力法往往有网格敏感性的问题；局部应力法计算量往往较大。本文针对正交异性钢桥面板多种焊缝，采用不同疲劳计算方法进行了分析（主要包括热点应力法，零点应力法，有效缺口应力法，应力强度因子法，应变能密度法等），对这些方法应用于桥面板焊缝疲劳应力计算时的关键问题进行了研究，并对这些方法做了一些改进。通过对这些方法计算结果的比较，选出适合计算面板典型焊缝疲劳应力的方法。最后通过进行面板参数分析和优化来得到既能提高面板疲劳性能，又考虑经济效益的面板参数尺寸。论文主要工作内容如下：（1）根据规范规定的标准疲劳车

4、荷载，通过初步的有限元计算得到面板与纵肋连接处，横隔板切口区域和横隔板与纵肋连接处的应力集中状况。（2）对等效结构应力法进行改进，在面板焊缝区域用应力积分法代替节点力法。对于应力积分法的网格敏感性进行较为详细的分析。此外本文对于焊喉处的疲劳问题也进行了研究。（3）对零点应力法和1mm法能否应用于正交异性桥面板焊缝疲劳计算进行了分析。对厚度法应用于计算面板焊趾疲劳应力时的网格稳定性也做了相应的验证分析。（4）对焊缝下部的母材厚度方向进行了应力分布的理论分析和计算，得到了焊缝下部母材厚度方向较为精确的应力分布计算表达式。探讨了应力强度因子K在焊缝处母材厚度方向一定范围内的数值规律，这为后续焊缝疲

5、劳应力计算量的减少提供依据。（5）对当前考虑缺口效应的焊缝疲劳应力计算主流方法进行了分析。首先探讨面板焊趾和焊根处应力强度因子法中疲劳寿命曲线的通用性，其次探讨峰值应力法能否应用于ABAQUS中；然后研究对于正交异性桥面板的面板和纵肋连接区域，应变能密度法中的模式3（甚至模式2）在整个应变能组成部分中占的比例。最后根据算例的计算结果探讨有效缺口应力和由应变能密度法化简得到的等效应力在数值上是否有固定关系；这一关系能否让缺口应力强度因子法，有效缺口应力法，局部应变能密度法三者在数值上建立联系。（6）用响应面法对面板设计参数进行了分析和优化，以提高正交异性桥面板的疲劳性能和经济效益。关键词：正交

6、异性钢桥面板；焊缝疲劳；热点应力法，缺口应力强度因子，参数分析IAbstractAbstractNowadays,theorthotropicsteelbridgedecksarewidelyusedinlargeandmediumspanbridgesathomeandabroad.However,Fatiguecracksmoreorlesswerefoundedinsomebridges.Undoubtfully,thecracksshortentheservicelifeofthebridges.However,therearefewmethodstoaccuratelyevalua

7、tethefatigueofweldedjoints.Whenusingnominalstressmethodtoevaluatefatiguelife,itisdifficulttogetaccurateS-Ncurve,Sothediscretenessofresultswillbeverylarge.Whenusinghot-spotstressmethod,theresultsvariedlargel