【博士】基于斷裂力學的鋼橋面鋪裝層疲勞壽命研究【2006】

內容簡介

　　學科專業(yè)：道路與隧道工程　　授予學位：博士　　學位授予單位：東南大學　　學位年度： 2006年　　鋼橋面鋪裝作為大跨釋橋梁建設的一項關鍵技術，是近幾年來國內外的一個研究熱點。疲勞破壞是鋼橋面鋪裝層最主要的破壞形式之一．本文在回顧鋼橋面鋪裝研究的基礎上，結合多個大跨徑鋼橋面鋪裝l：程研究課題，指出基于唯像學疲勞方程的鋼橋面鋪裝層設計方法存在的局限性，從鋼橋面鋪裝層在使用期間帶裂縫E作的實際出發(fā)，采用斷裂力學理論研究鋼橋面鋪裝層的疲勞壽命。　　本文以工E交異性鋼轎面鋪裝層表面裂縫的疲勞擴展為研究對象，以正交異性鋼橋面鋪裝層表面裂縫應力強度因子的計算方法、應力強度因子的變化規(guī)律平¨影響因素、P州s疲勞擴展模犁的計算參數(shù)、鋪裝層疲勞壽命預測等為基本研究內容，具體做了以F幾個方面的丁作、并得到相應的成果：　　1、正交異性鋼橋面系三維裂縫有限元模型的建立和應力強度因子計算在鋪裝層內引入三維表面裂縫，建立了帶裂縫的上E交異性鋼橋面系有限元模犁；構造了12結點三維等參奇異單元，并證明了該單元內應力、麻變分布的，”2奇異性，將該奇異單元布置在裂縫前沿模擬奇異應力、應變場，計算得到了鋪裝層三維表面裂縫前沿的應力強度因子值；基于通塒有限元軟件的二次開發(fā)技術，編制了通用的命令流和稃序，完成了建摸和計算工作?！　?，正交異性鋼橋面鋪裝層三維表面裂縫應力強度因子分析計算和對比了完好鋪裝層和帶裂縫鋪裝層的正交異性鋼橋面系模瓔的鋪裝層表面最大拉應變值，發(fā)現(xiàn)裂縫的存在使鋪裝層表面最大拉戍變值減小，說明表面最人拉應變值不適合作為開裂鋪裝層疲勞破壞的控制指標，開裂鋪裝層的疲勞破壞由裂縫前沿奇異應力場強度所控制，以麻力強度因子來表征；鋪裝層三維表面裂縫是復合犁裂縫，等效應力強度因子反映了三種基本開裂模式的綜合作用，文中同時計算和分析了三種基本麻力強度因子和等效應力強度因子。　　根據應力強度因子沿裂縫前沿不同位置的變化，找到屜大應力強度因子來代表整個裂縫前沿的應力強度因子，并根據應力強度因子值隨軸載作用位置的變化規(guī)律，確定了帶裂縫橋面系的軸載作用最不利荷位?！　≌划愋凿摌蛎嫦当姸嘟Y構參數(shù)都影響鋪裝層的受力狀態(tài)，并影響到鋪裝層裂縫的疲勞擴展行為，表現(xiàn)為裂縫的應力強度因子隨結構參數(shù)的變化而變化。通過大量的數(shù)值計算。分別探討了正交異性鋼橋面系的加幼肋開口寬度、加勁肋高度、加勁肋壁厚、加幼肋間距、橫隔扳厚度、橫隔板間距、橋面板厚度、鋪裝層厚度、鋪裝層模鼉等眾多結構參數(shù)對應力強度因子的影響規(guī)律?！　′佈b層表面裂縫的擴展行為隨著裂縫擴展的深度而變化，表現(xiàn)為表面裂縫的鹿力強度因子值是裂縫深度的函數(shù)。通過大量的數(shù)值計算和數(shù)據擬合，將表面裂縫應力強度因子表示為裂縫深度的二次多項式，二次多項式系數(shù)隨橋面系結構參數(shù)的不同而變化，建立BP神經網絡模璋!，以預測任意橋面系結構的表面裂縫應力強度因子二次多項式，BP神經網絡的訓練樣本采用正交試驗設計方法、依據工程實際選取。根據應力強度因子的深度函數(shù)式，確定了鋪裝層表面裂縫疲勞擴展的臨界深度。　　3、建立和求解帶鋪裝層鋼箱粱多層熱傳導偏微分方程組，分析溫度變化對鋪裝層表面裂縫疲勞擴展行為的影響　　裂縫的應力強度因子會隨溫度應力的變化而變化，反映了環(huán)境溫度變化對裂縫疲勞擴展行為的影響。本文建立和求解了帶鋪裝層鋼箱梁的多層熱傳導偏微分方稃組，在給定氣候條件和橋面系熱力學參數(shù)的條件F，得到了鋪裝層的溫度分布；考慮瀝青混合料戍力松弛效應的條件下，推導了鋪裝層內溫度應力計算公式，并計算了溫度戍力作用下的裂縫戍力強度因子。計算分析表明，正常的日循環(huán)變溫過程中，表面裂縫應力強度因子遠小于材料的斷裂韌性值．溫度應力不會導致鋪裝層裂縫的失穩(wěn)擴展，但會引起裂縫的疲勞擴展，而持續(xù)快速降溫過程可能導致鋪裝層裂縫的失穩(wěn)擴展，使鋪裝層發(fā)生脆性斷裂破壞?！　?、正交異性鋼橋面板第一體系應力對鋪裝層受力狀態(tài)和裂縫擴展行為的影響正交異性鋼橋面板作為主粱的上翼緣直接參與主梁的作用，橋梁自重、全橋車輛軸重等荷載使橋梁的主梁產生很大的內力，而使上E交異性鋼橋面扳承受著巨大的第一體系應力。以初始應力模擬正交異性鋼橋面板第一體系應力，將初始戍力施加于局部鋼橋面系模型的鋼橋面板上，分析了上E交異性鋼橋面板第一體系應力對完蚶鋪裝層表面應變值的影響，文中定義了一個橋梁主跨影響系數(shù)，以定量表示正交異性鋼橋面板第一體系應力對鋪裝層應變值影響的羊牮度，并數(shù)值擬合得劍了橋梁主跨影響系數(shù)計笄式。分　　析了止交異性鋼橋面板第一體系應力對鋪裝層表面裂縫應力強度岡子的影響規(guī)律，研究表明止交鋼橋面　　板第一體系應力對表面裂縫席力強度因子影響不明顯。　　5、建立鋪裝瀝青混合科唯像學疲勞方程回歸系數(shù)與疲勞擴展常數(shù)之間的關系式測定材料的斷裂力學參數(shù)不僅與材料自身性能有關，還與試竹的受力模式有關，目前常用的兒類標準斷裂力學試件的受力模式與正交異性鋼橋面鋪裝層的受力狀態(tài)都有較大籌別，復合梁試件與lE交異性銅橋面鋪裝層的受力比較接近，常用于鋪裝瀝青混合料的疲勞試驗，以建立難像學疲勞方程，但是，將復合梁試件應用于斷裂力學試驗測定鋪裝瀝青混合料的疲勞擴展常數(shù)，沒有相應的理論依據和試驗方法。本文結合復合梁疲勞試驗分析和復合梁斷裂力學數(shù)值計算，依據剛度等效條件，導出了唯像學疲勞方程的同門系數(shù)與疲勞擴展常數(shù)之間的關系式?！　?，正交異性鋼橋面鋪裝層疲勞壽命預測　　將前面得劍的應力強度因子深度函數(shù)式和瀝青混合料的疲勞擴展常數(shù)代入Paris公式，由裂縫初始深度積分至臨界深度，得全0標準軸載作剛次數(shù)。再由交通暈數(shù)據和軸載換算方法，可以得到鋪裝層的使崩年限。裂縫的初始深度由現(xiàn)場觀測確定，為了將備類非標準軸載組成的交通流換算為標準軸載作用次數(shù)，由Paris疲勞擴展模犁導出了鋼橋面鋪裝層軸載換算方法?！　∽詈?，依據上述幾個方面的研究成果，建立了鋼橋面鋪裝層疲勞壽命預測方法，并以一個實例工程驗證了該預測方法的準確性?！　?

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