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资料名称:	钢桥面板纵肋与横隔板连接处疲劳裂纹
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上传用户:	Cn_tf
上传时间:	2021/7/8
资料类别:	工程论文
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钢桥面板纵肋与横隔板连接处疲劳裂纹扩展过程数值模拟及其加固研究.pdf

正交异性钢桥面板具有重量轻，强度高，方便装配式施工等优点，在国内外公路桥梁和铁路桥梁得到广泛应用。然而，钢桥面板在具有上述优点的同时也由于构造复杂，焊缝较多而导致部分构造细节应力集中程度高，局部在承受汽车轮载反复作用下，所产生的疲劳问题非常显著。正交异性钢桥面板疲劳开裂问题是困扰该结构应用的世界性的难题，严重影响着结构的服役质量和安全使用寿命。因此，对于正交异性钢桥面板的经常出现的疲劳开裂问题非常有必要展开相关研究。
　　本文以纵肋与横隔板连接部位作为研究对象，通过建立有限元模型进行该细节处疲劳裂纹的扩展模拟，深入研究疲劳裂纹的扩展特性和失效机理。基于此，针对钢桥面板纵肋与横隔板交叉连接部位产生的疲劳开裂现象进行加固处理。主要研究内容和成果如下：
　　（1）回顾和总结了国内外学者关于钢桥面板疲劳开裂方面的研究成果，调研分析了针对疲劳裂纹扩展模拟以及钢桥面板疲劳裂纹维修加固方面技术的研究。为后续开展纵肋与横隔板连接部位的裂纹裂纹扩展模拟及其加固研究奠定了基础；
　　（2）采用通用有限元软件ANSYS建立了与正交异性钢桥面板疲劳试验中节段试件所对应的数值模型。将试验工况荷载作用下关键测点试验实测值与有限元计算理论值进行对比，确定了所建立的有限元模型能够准确有效地反映结构的受力情况。在此基础上，建立了纵肋与横隔板交叉细节处疲劳裂纹的有限元模型，分析该细节处疲劳裂纹从初始裂纹至裂穿纵肋腹板过程中应力强度因子的变化规律。研究结果表明：在钢桥面板纵肋与横隔板连接细节处的疲劳开裂以I型（张开型）开裂为主要开裂模式，但随着疲劳裂纹长度的增加，该裂纹有朝着复合型疲劳开裂模式发展的趋势；
　　（3）针对钢桥面板中纵肋与横隔板交叉连接处产生的疲劳开裂情况，采用装配式栓接角钢的加固方法进行加固处理，从疲劳试验研究和断裂力学数值分析两方面对该方法的加固效果进行了分析和讨论。验证了栓接角钢加固方法的工程可实施性和栓接角钢能够有效抑制短裂纹扩展；从断裂力学等效应力强度因子角度出发，分析了加固时机以及加固角钢板件尺寸对加固效果的影响，结果表明加固时机的选择是加固效果的关键影响因素，应在裂纹扩展至一定长度之前进行加固，方能够使加固效果能有好的保障，疲劳裂纹的扩展得到有效抑制，此外加固所采用的角钢厚度对加固的效果影响最大；
　　（4）对纵肋与横隔板连接细节处沿纵肋腹板扩展的穿透型疲劳裂纹的扩展特性进行研究，结果表明该细节处疲劳裂纹穿透纵肋腹板后以复合型开裂模式为主要扩展表现形式。在含有穿透型疲劳裂纹的有限元模型的基础上，采用栓接角钢的加固方法对该类疲劳裂纹进行加固，数值计算显示此加固方式主要是抑制 I 型（张开型）疲劳开裂，对复合型疲劳裂纹的加固效果并不是十分理想。因此，对于钢桥面板疲劳开裂加固要具有针对性，一种加固措施不可能起到对所有疲劳开裂均能起到很好的效果；
　　（5）针对纵肋与横隔板连接细节处出现的穿透型疲劳裂纹，通过建立纵肋外侧栓接半U肋形钢板的加固有限元数值模型，在此基础上，运用线弹性断裂力学对加固效果进行评估。分析结果表明：当采用单侧栓接钢板进行加固时，能够有效抑制住加固侧的疲劳裂纹尖端的进一步扩展，但是对另一侧的疲劳裂纹扩展的抑制效果有限；采用双侧分别栓接半U肋形钢板进行加固后，能有效抑制穿透型疲劳裂纹两侧尖端的进一步扩展。