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公路钢结构桥梁抗疲劳设计方法研究

李芹子  
【摘要】:钢结构桥梁虽然具有自重轻、跨径大等优点,但是由于长期承受车辆荷载循环作用,加上其自身焊接连接、截面突变、应力集中等因素容易引发疲劳裂纹,严重时会发生疲劳断裂破坏。我国现行的公路桥涵钢结构及木结构设计规范中疲劳设计部分相对落后,对公路钢结构桥梁疲劳问题的特点认知不足,已经不能满足我国公路钢桥设计的需要;而我国公路钢结构桥梁设计规范还处在修订状态,因此针对这一现状开展对公路钢桥抗疲劳设计方法的研究很有必要。具体而言,本文主要做了以下工作: 1)从抗疲劳设计计算准则和计算公式、疲劳细节分类和疲劳荷载三个主要方面对国外相对成熟的AASHTO、BS5400、Eurocode、日本规范,以及我国钢结构设计规范、铁路钢桥规范和公路桥涵钢结构及木结构设计规范进行对比研究分析。 通过对AASHTO基于无限寿命法和安全寿命法的两种抗疲劳设计准则和计算公式、BS5400三级循序渐进且自成体系的抗疲劳设计准则和计算公式、Eurocode基于绝对安全设计和损伤容限设计的三等级设计(无限寿命设计、等效损伤设计和损伤累积设计)的计算准则和计算公式、日本规范基于无限寿命法和安全寿命法的简便评定和损伤累积评定计算准则和计算公式的研究,基于我国规范中的计算准则和公式,指出其中有待更新和可以沿用的部分,并给出适用于我国公路桥梁钢结构疲劳设计计算公式。 对国内外规范疲劳细节的类别、等级强度与S-N曲线特征进行对比分析,通过对国内外疲劳细节的划分原则,以及我国铁路钢桥规范中细节分类与国外规范之间的差别进行详细研究,指出我国公路钢桥规范疲劳细节划分时应采用的原则和值得注意的问题,并指出我国需要通过增加疲劳试验或开展新的疲劳试验来确定强度等级大小的疲劳细节,为我国公路钢结构桥梁中疲劳细节分类提供参考和建议。 通过对AASHTO、BS5400、Eurocode和日本规范中疲劳荷载进行研究分析,给出了疲劳荷载的主要形式。简述了标准疲劳车模型的推导方法,并以简支梁桥为例,采用有限元程序ANSYS计算分析了不同跨径下AASHTO、Eurocode和BS5400标准疲劳车、日本T荷载,以及我国公路-Ⅰ级、公路-Ⅱ级和城-A级、城-B活载车辆对简支梁跨中截面造成的弯矩幅大小,以及不同轴数的车辆造成的应力循环次数,得到我国已有车辆模型与国外的标准疲劳车辆之间的差异程度,为我国公路钢桥制定疲劳荷载提供参考。 2)以大榭第二大桥为工程背景,依据AASHTO、Eurocode和日本规范,采用有限元程序ANSYS对该桥正交异性钢桥面板的典型疲劳细节进行疲劳强度验算。通过对计算结果进行分析,并从抗疲劳设计准则、疲劳细节分类和疲劳荷载三个方面综合考虑,得出最适合我国公路钢桥正交异性钢桥面板抗疲劳设计的规范,为我国公路钢桥正交异性钢桥面的抗疲劳设计提供参考。


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