高强度钢桥面板疲劳损伤机理及热点应力评价方法研究

Construction scale of long-span cable-supported bridges in China has stepped into world's first rank .With increase of service life, operation safety and maintenance of bridges has become a compelling and significant subject in bridge engineering. Fatigue damage of steel bridge deck is the crucial problem needed to be solved urgently. High-strength steel deck has distinguished structural behavior and extensive application prospects. However, its fatigue damage mechanism is different from normal strength steel deck. Hot spot stress theory, which is the frontier of fatigue research, is introduced into this project to carry out study in fatigue mechanism and assessment method of high strength steel bridge decks...New type vibration fatigue test machines are applied in multi-axial welded joint fatigue tests, to investigate fatigue damage mechanism and fatigue strength of high-strength steel decks. Critical damage surface and damage parameters of multi-axial fatigue are built considering residual stress transfer and release in weld toes. Fatigue mechanical model and hot spot stress calculation are established, considering residual stress redistribution and multi-axial stress state, to set up hot spot stress fatigue assessment method of high-strength steel deck. Eventually, post process of weld and structural design parameters are obtained to improve anti-fatigue behavior of high strength steel bridge deck...Expected research results of this project are to further improve fatigue design theory of high strength steel bridge decks. And have important scientific significance to enhance operation safety and to extend service life of long span cable-supported bridges.

我国大跨径缆索承重桥梁建设规模已处于世界前列。随着服役年限增长，该类桥梁运营安全与维护成为桥梁工程领域备受关注的重大课题，其中钢桥面板疲劳损伤是该领域亟待解决的核心难题。高强度钢桥面板结构性能优越、应用前景广阔，但疲劳损伤机理与普通钢桥面板差异明显。本项目引入疲劳研究前沿热点应力理论，研究其疲劳损伤机理与评价方法。.项目拟采用新型振动型疲劳试验机，进行多轴应力状态下高强度钢桥面板焊接接头疲劳试验，研究其疲劳损伤机理及疲劳强度；建立考虑焊趾残余应力转移与释放特点的焊接接头多轴疲劳损伤临界面与损伤参量；提出考虑残余应力重分布与多轴应力状态的疲劳受力模型与热点应力计算式，建立高强度钢桥面板疲劳的热点应力评价方法。在此基础上，提出高强度钢桥面板抗疲劳焊缝处理措施及构造设计参数。.本项目预期研究成果将进一步完善高强度钢桥面板疲劳设计理论，对于提高其运营安全性、延长服役寿命具有重要的科学意义。

我国大跨径缆索承重桥梁建设规模已处于世界前列。随着服役年限增长，此类桥梁的运营安全与管养维护已成为桥梁工程领域备受关注的重大课题，其中钢桥面板的疲劳损伤是该领域亟待解决的核心技术难以之一。高强度钢桥面板结构性能优越、应用前景广阔，但其疲劳损伤机理与普通钢桥面板存在较大差异。国内外针对普通强度钢桥面板已经开展了大量的研究工作，建立了对应的评价方法，对其疲劳性能有较好的认识，但仍有很多问题尚未解决，尤其针对高强度钢桥面板研究较少。钢桥面板疲劳损伤机理及评价方法还有待进一步研究。. 本研究对钢桥面板典型疲劳损伤细节进行疲劳试验研究，包含顶板与竖向加劲肋、顶板与U肋、横隔板与U肋等细节，尤其是考虑了钢材的强度变化。首先，采用倒模、盲孔法等测试手段，分析了高强度钢桥面板不同焊接接头的几何特征、残余应力分布等初始缺陷及其对疲劳性能的影响。项目开展了单轴和多轴比例加载的疲劳试验研究，获得了钢桥面板典型构造细节的疲劳强度以及单轴和多轴在疲劳性能、疲劳寿命等方面的差异，揭示了钢桥面板多轴疲劳强度损伤的规律和原因。其次，将热点应力计算方法纳入到钢桥面板疲劳评估中，对单元尺寸、单元类型、计算方法等因素进行了对比分析，建立了基于热点应力的钢桥面板疲劳评估的有限元模型建模和分析方法，并结合疲劳试验结果评估了钢桥面板典型疲劳损伤细节的热点应力疲劳强度，给出了初步的建议值，初步建立了适用于顶板U肋焊缝多轴比例与非比例加载的疲劳评估理论。最后，结合钢桥面板焊缝初始缺陷的研究，提出了适用于高强度钢桥面板焊缝抗疲劳的具体措施，形成了气动锤击、焊趾磨削为主的抗疲劳措施和工艺。对钢桥面板构造的合理优化设计进行了分析，获得了不同构造特征下的热点应力大小。研究形成了具有自主知识产权、符合我国钢桥材料和焊接工艺的成果，积累了丰富的钢桥疲劳试验方面的经验，可为高强度钢桥面板的抗疲劳设计、运营阶段的疲劳维护提供重要的理论指导。

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