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公路正交异性钢桥面板构造细节的热点应力分析及疲劳研究

冯兵  
【摘要】:正交异性钢桥面板由于独特的优势,在现代钢桥中得到广泛应用,但随着其服役时间的增长疲劳破坏问题逐渐暴露出来。正交异性钢桥面板结构复杂,名义应力难以确定且名义应力法的疲劳评估所需S-N曲线较多,导致疲劳评估过程繁琐。针对以上问题,本文以一扁平钢箱梁为模型,计算车轮荷载作用下整体钢箱梁模型中桥面板的应力特点,比较不同标准疲劳车模型对桥面板构造细节产生的疲劳影响,基于局部细节模型对桥面板构造细节的热点应力进行计算分析。依据车辆荷载谱和标准疲劳车模型,利用热点应力法和名义应力法对其疲劳评估展开研究。论文主要工作如下: 总结钢结构疲劳分析理论和疲劳寿命评估方法,比较各评估方法的不同及优缺点。对正交异性钢桥面板的疲劳裂纹进行汇总,从制造过程、自身构造特性以及所承受荷载性质方面进行疲劳破坏的分析。总结各国关于公路桥梁疲劳荷载的研究成果,归纳模拟公路桥梁疲劳荷载的模型。 为了解车轮荷载作用下扁平钢箱梁桥面板的应力特点,利用有限元软件ANSYS建立扁平钢箱梁有限元模型,计算车轮荷载作用下四种不同的桥面板构造细节的应力历程,分析各构造细节的应力特点和分布规律。计算不同标准疲劳荷载模型对桥面板与纵腹板连接细节产生的疲劳影响,分析确定用于我国正交异性钢桥面板结构细节疲劳评估的荷载模型。 基于三维结构模型将Dong法计算公式扩展到三维形式,并得到经过简化的三维结构Dong法。为利用热点应力法对钢箱梁桥面板构造细节进行疲劳评估,选取桥面板与纵腹板连接细节,基于ANSYS子模型技术建立局部细节模型,利用热点应力外推法、厚度线性化法以及Dong法,计算该细节的热点应力并对以上三种方法中有限元建模参数对计算值的影响进行了分析。对三维结构Dong法及其简化形式进行对比计算,对其计算公式中参考面距离裂纹扩展面的距离进行参数分析。通过以上计算分析,确定出采用不同热点应力计算方法时合适的计算公式参数和有限元建模参数。 基于ANSYS子模型技术建立局部细节模型,依据车辆荷载谱模型,对桥面板与纵腹板连接细节,利用热点应力法和名义应力法进行疲劳寿命评估,利用标准疲劳车模型对其进行疲劳检算,讨论了以上两种评估方法结果差异的原因,得出热点应力法可方便的用于该细节的疲劳寿命评估。


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