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城市轨道交通桥梁正交异性钢桥面板足尺模型疲劳试验研究

杨长春  
【摘要】:随着城市轨道交通行业的蓬勃兴起以及新时代背景下的不断变革,城市轨道交通钢结构桥梁的发展也是日新月异,基于轨道交通背景下的正交异性钢桥面板的疲劳问题逐渐跃升成为桥梁工程界的热点研究课题之一,也是制约轨道交通钢结构桥梁进一步发展的根本性难题。论文依托重庆市建设科技计划项目《大跨度城市轨道交通桥梁横向刚度及钢箱梁疲劳设计研究》,总结梳理国内外有关研究及规范,参照实桥正交异性钢桥面板的构造型式及尺寸,从其疲劳荷载、受力特性、抗疲劳设计方法、疲劳细节的热点应力分析入手,采取有限元理论模拟与足尺模型疲劳试验相结合的研究方法,开展正交异性钢桥面板的疲劳性能评估与优化。主要研究结论如下:(1)针对轨道交通标准疲劳车的确定,其轴重取车型设计轴重乘以折减系数0.8,轴距取车型设计轴距值;标准疲劳车的编组列车数以及疲劳加载工况与设计使用期间内运营管理规划和分析研究位置的影响线长度息息相关。(2)采用ANSYS软件实现移动加载并对重点关注的疲劳细节进行热点应力分析。单线相邻四轴疲劳荷载作用下所得各疲劳细节的热点应力历程曲线具有对称性及相邻荷载有效性;应力历程曲线共计产生2次应力循环,可视为两次单线双轴荷载作用下的时程曲线的“重复”,且桥面板与U肋连接位置的疲劳细节其最大应力值约为单线单轴荷载作用下的1.4倍,横隔板开口圆弧处的疲劳细节约为1.6倍,U肋腹板与横隔板连接位置的疲劳细节约为1.7倍。(3)开展足尺模型疲劳试验。200万次疲劳循环加载内,各构件上关键测点的应力——荷载曲线呈线性关系,具有良好的对称性及可恢复性,且未出现明显的突变,应力值仅在可接受的范围内波动;提高荷载幅值的100万次疲劳循环加载内,测点应力值仍未出现应力突变现象,未发现疲劳裂纹;即说明所研究的疲劳细节在较高应力幅、长服役期等条件下,具有良好的疲劳性能及较高安全储备。(4)基于AASHTO规范中S-N曲线评估疲劳细节其疲劳验算设计应力幅值及预测总疲劳寿命均满足100年使用寿命设计要求;优化之后的正交异性钢桥面板疲劳细节较优化之前其疲劳应力幅值降低幅度最大可达56.1%,并指出横隔板开口圆弧和桥面板与U肋连接位置是今后最可能先发生疲劳破坏而需要后期的桥梁管养和检测进行重点关注的敏感性区域。


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