正交異性鋼橋面板疲勞監(jiān)測與試驗(yàn)研究.pdf

1、正交異性鋼橋面板因其自重輕、承載能力高、施工速度等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的大型橋梁。然而，由于構(gòu)造復(fù)雜、焊縫處應(yīng)力集中效應(yīng)顯著等原因，在車輛等往復(fù)交變荷載作用下，部分焊接細(xì)節(jié)容易發(fā)生疲勞開裂。由于正交異性鋼橋面板構(gòu)造復(fù)雜，一旦開裂，疲勞裂紋的檢查和修復(fù)將十分困難，給橋梁運(yùn)營期間的養(yǎng)護(hù)管理帶來較大難度。隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在國內(nèi)外一些大型橋梁上的成功實(shí)施，通過分析長期疲勞應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展疲勞效應(yīng)的時變性規(guī)律和環(huán)境荷載作用的影響性分析，為

2、全面深入理解橋梁結(jié)構(gòu)在服役期的疲勞性能提供了良好平臺。
　　本文從潤揚(yáng)長江大橋懸索橋和斜拉橋的長期疲勞監(jiān)測出發(fā)，圍繞公路鋼箱梁橋鋼橋面板的疲勞這一主題，系統(tǒng)開展了包括鋼橋面板關(guān)鍵焊接細(xì)節(jié)疲勞效應(yīng)的監(jiān)測分析，簡化疲勞分析模型，基于熱點(diǎn)應(yīng)力方法的疲勞試驗(yàn)和疲勞裂紋無損檢測方法的適用性驗(yàn)證等四方面的研究，為大跨公路鋼箱梁橋的疲勞監(jiān)測分析和壽命評估技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了技術(shù)方法。主要研究內(nèi)容為:
　　(1)研究了車載和環(huán)境溫度對正交異

3、性鋼橋面板疲勞效應(yīng)的影響性規(guī)律?；谶\(yùn)營狀態(tài)下潤揚(yáng)大橋懸索橋的兩類疲勞效應(yīng)監(jiān)測結(jié)果，即等效應(yīng)力幅和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，分析了其與環(huán)境溫度、車流量間的相關(guān)性特征。通過建立鋪裝層-鋼橋面板一體化疲勞分析模型，以等效應(yīng)力幅和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為研究參數(shù)，獲取了頂板-縱肋和縱肋對接兩類細(xì)節(jié)的疲勞效應(yīng)與車流量、環(huán)境溫度間的相關(guān)性關(guān)系。研究結(jié)果表明，兩類細(xì)節(jié)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)與車流量成正比;橋面瀝青鋪裝層材性隨環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生的差異對等效應(yīng)力幅的影響顯著;相比于

4、監(jiān)測結(jié)果，由相關(guān)規(guī)范推薦的車輛荷載模型計算得到的兩類細(xì)節(jié)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)均偏低，頂板-縱肋的等效應(yīng)力幅計算結(jié)果吻合良好，而縱肋對接的計算結(jié)果則較為保守。
　　(2)研究了正交異性鋼橋面板典型細(xì)節(jié)疲勞性能的局部構(gòu)造效應(yīng)。從斜拉橋和懸索橋疲勞監(jiān)測結(jié)果間差異性較大這一現(xiàn)象著手，根據(jù)兩座橋梁鋼箱梁設(shè)計參數(shù)的相似性，首先基于斜拉橋建立了鋼箱梁疲勞分析的多尺度基準(zhǔn)有限元模型，考察了三類典型輪載作用下兩類關(guān)鍵構(gòu)件的橫、順橋向的應(yīng)力分布特征，進(jìn)而開

5、展了鋼箱梁設(shè)計參數(shù)對應(yīng)力代表值的敏感性分析。研究結(jié)果表明，頂板和縱肋兩類關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力分布具有顯著的局部性特征;增厚頂板、縱肋和增加縱肋高度對降低頂板-縱肋和縱肋對接細(xì)節(jié)疲勞應(yīng)力的效果較為顯著，增厚橫隔板對降低兩類細(xì)節(jié)的疲勞應(yīng)力效果幾無作用，而減小橫隔板間距可有效降低縱肋對接細(xì)節(jié)的疲勞應(yīng)力，但可能會增加頂板縱肋焊接細(xì)節(jié)的疲勞應(yīng)力。其中，增厚頂板和增高縱肋對降低頂板-縱肋和縱肋對接細(xì)節(jié)的疲勞應(yīng)力水平效果最為有效。
　　(3)研究并建立

6、了正交異性鋼橋面板疲勞效應(yīng)的簡化分析方法。以等效應(yīng)力幅為目標(biāo)參數(shù)，基于疲勞分析的初始模型開展了模型參數(shù)的敏感度分析與優(yōu)化分析，建立了車輛荷載作用下鋼橋面板疲勞效應(yīng)計算的簡化分析方法。研究結(jié)果表明，鋼橋面板第一結(jié)構(gòu)體系對鋼橋面板疲勞效應(yīng)的影響很小，只需考慮鋼橋面板第二、三結(jié)構(gòu)體系的影響，故可直接采用鋼橋面板的局部構(gòu)件模型進(jìn)行疲勞效應(yīng)計算，局部構(gòu)件模型的邊界條件為順橋向支承在橫隔板上、橫橋向支承在頂板縱肋上;推薦采用以等效應(yīng)力幅Se為分析指

7、標(biāo)對簡化分析模型的計算參數(shù)進(jìn)行敏感度分析，最終建立鋼橋面板疲勞荷載效應(yīng)簡化計算方法。
　　(4)研究并建立了名義應(yīng)力和熱點(diǎn)應(yīng)力的疲勞抗力模型。通過開展正交異性鋼橋面板頂板-縱肋細(xì)節(jié)節(jié)段模型的靜載試驗(yàn)，獲取了焊縫附近的應(yīng)力分布規(guī)律，得到了疲勞應(yīng)力集中系數(shù)(SCF)特征;開展了十二個構(gòu)件的四級名義常應(yīng)力幅疲勞試驗(yàn)，基于名義應(yīng)力法和熱點(diǎn)應(yīng)力法分別建立了用于疲勞設(shè)計和疲勞評估的名義和熱點(diǎn)應(yīng)力疲勞抗力模型。研究結(jié)果表明，各構(gòu)件均在焊趾I處（

8、即頂板位置）發(fā)生疲勞開裂，裂紋形態(tài)為典型的頂板貫穿型，屬于脆性破壞;以熱點(diǎn)應(yīng)力表示的lgS-lgN散點(diǎn)圖的離散性較小，表明采用熱點(diǎn)應(yīng)力抗力模型用于疲勞評估的準(zhǔn)確性更高;通過對比已有規(guī)范，可分別建立頂板-縱肋細(xì)節(jié)用于設(shè)計的名義應(yīng)力和熱點(diǎn)應(yīng)力疲勞抗力簡化模型。
　　(5)研究了金屬磁記憶和相控陣超聲技術(shù)對鋼橋面板疲勞裂紋檢測的適用性規(guī)律。通過開展Q345B鋼材的材料拉伸試驗(yàn)、正交異性鋼橋面板的靜載和疲勞試驗(yàn)，研究了母材和焊縫位置處矯頑

9、力參數(shù)隨靜載和疲勞過程的變化規(guī)律，以及與彈塑性應(yīng)變、疲勞裂紋等荷載效應(yīng)的相關(guān)性特征;開展了相控陣超聲檢測技術(shù)用于正交異性鋼橋面板疲勞裂紋檢測的探索性研究。研究結(jié)果表明，矯頑力值對塑性應(yīng)變的變化更為敏感而對彈性應(yīng)變的變化則不敏感，焊縫處矯頑力水平顯著高于母材，焊縫垂直方向的矯頑力水平顯著高于平行方向。宏觀疲勞裂紋出現(xiàn)前后矯頑力值的變化最為顯著，表明金屬磁記憶技術(shù)對正交異性鋼橋面板疲勞裂紋檢測的適用性較好。相控陣超聲技術(shù)可真實(shí)、有效反映結(jié)構(gòu)