【博士】基于断裂力学的钢桥面铺装层疲劳寿命研究【2006】

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内容简介

　　学科专业：道路与隧道工程　　授予学位：博士　　学位授予单位：东南大学　　学位年度： 2006年　　钢桥面铺装作为大跨释桥梁建设的一项关键技术，是近几年来国内外的一个研究热点。疲劳破坏是钢桥面铺装层最主要的破坏形式之一．本文在回顾钢桥面铺装研究的基础上，结合多个大跨径钢桥面铺装l：程研究课题，指出基于唯像学疲劳方程的钢桥面铺装层设计方法存在的局限性，从钢桥面铺装层在使用期间带裂缝E作的实际出发，采用断裂力学理论研究钢桥面铺装层的疲劳寿命。　　本文以工E交异性钢轿面铺装层表面裂缝的疲劳扩展为研究对象，以正交异性钢桥面铺装层表面裂缝应力强度因子的计算方法、应力强度因子的变化规律平¨影响因素、P州s疲劳扩展模犁的计算参数、铺装层疲劳寿命预测等为基本研究内容，具体做了以F几个方面的丁作、并得到相应的成果：　　1、正交异性钢桥面系三维裂缝有限元模型的建立和应力强度因子计算在铺装层内引入三维表面裂缝，建立了带裂缝的上E交异性钢桥面系有限元模犁；构造了12结点三维等参奇异单元，并证明了该单元内应力、麻变分布的，”2奇异性，将该奇异单元布置在裂缝前沿模拟奇异应力、应变场，计算得到了铺装层三维表面裂缝前沿的应力强度因子值；基于通埘有限元软件的二次开发技术，编制了通用的命令流和稃序，完成了建摸和计算工作。　　2，正交异性钢桥面铺装层三维表面裂缝应力强度因子分析计算和对比了完好铺装层和带裂缝铺装层的正交异性钢桥面系模璎的铺装层表面最大拉应变值，发现裂缝的存在使铺装层表面最大拉戍变值减小，说明表面最人拉应变值不适合作为开裂铺装层疲劳破坏的控制指标，开裂铺装层的疲劳破坏由裂缝前沿奇异应力场强度所控制，以麻力强度因子来表征；铺装层三维表面裂缝是复合犁裂缝，等效应力强度因子反映了三种基本开裂模式的综合作用，文中同时计算和分析了三种基本麻力强度因子和等效应力强度因子。　　根据应力强度因子沿裂缝前沿不同位置的变化，找到屉大应力强度因子来代表整个裂缝前沿的应力强度因子，并根据应力强度因子值随轴载作用位置的变化规律，确定了带裂缝桥面系的轴载作用最不利荷位。　　正交异性钢桥面系众多结构参数都影响铺装层的受力状态，并影响到铺装层裂缝的疲劳扩展行为，表现为裂缝的应力强度因子随结构参数的变化而变化。通过大量的数值计算。分别探讨了正交异性钢桥面系的加幼肋开口宽度、加劲肋高度、加劲肋壁厚、加幼肋间距、横隔扳厚度、横隔板间距、桥面板厚度、铺装层厚度、铺装层模鼍等众多结构参数对应力强度因子的影响规律。　　铺装层表面裂缝的扩展行为随着裂缝扩展的深度而变化，表现为表面裂缝的鹿力强度因子值是裂缝深度的函数。通过大量的数值计算和数据拟合，将表面裂缝应力强度因子表示为裂缝深度的二次多项式，二次多项式系数随桥面系结构参数的不同而变化，建立BP神经网络模璋!，以预测任意桥面系结构的表面裂缝应力强度因子二次多项式，BP神经网络的训练样本采用正交试验设计方法、依据工程实际选取。根据应力强度因子的深度函数式，确定了铺装层表面裂缝疲劳扩展的临界深度。　　3、建立和求解带铺装层钢箱粱多层热传导偏微分方程组，分析温度变化对铺装层表面裂缝疲劳扩展行为的影响　　裂缝的应力强度因子会随温度应力的变化而变化，反映了环境温度变化对裂缝疲劳扩展行为的影响。本文建立和求解了带铺装层钢箱梁的多层热传导偏微分方稃组，在给定气候条件和桥面系热力学参数的条件F，得到了铺装层的温度分布；考虑沥青混合料戍力松弛效应的条件下，推导了铺装层内温度应力计算公式，并计算了温度戍力作用下的裂缝戍力强度因子。计算分析表明，正常的日循环变温过程中，表面裂缝应力强度因子远小于材料的断裂韧性值．温度应力不会导致铺装层裂缝的失稳扩展，但会引起裂缝的疲劳扩展，而持续快速降温过程可能导致铺装层裂缝的失稳扩展，使铺装层发生脆性断裂破坏。　　4、正交异性钢桥面板第一体系应力对铺装层受力状态和裂缝扩展行为的影响正交异性钢桥面板作为主粱的上翼缘直接参与主梁的作用，桥梁自重、全桥车辆轴重等荷载使桥梁的主梁产生很大的内力，而使上E交异性钢桥面扳承受着巨大的第一体系应力。以初始应力模拟正交异性钢桥面板第一体系应力，将初始戍力施加于局部钢桥面系模型的钢桥面板上，分析了上E交异性钢桥面板第一体系应力对完蚶铺装层表面应变值的影响，文中定义了一个桥梁主跨影响系数，以定量表示正交异性钢桥面板第一体系应力对铺装层应变值影响的羊牮度，并数值拟合得剑了桥梁主跨影响系数计笄式。分　　析了止交异性钢桥面板第一体系应力对铺装层表面裂缝应力强度冈子的影响规律，研究表明止交钢桥面　　板第一体系应力对表面裂缝席力强度因子影响不明显。　　5、建立铺装沥青混合科唯像学疲劳方程回归系数与疲劳扩展常数之间的关系式测定材料的断裂力学参数不仅与材料自身性能有关，还与试竹的受力模式有关，目前常用的儿类标准断裂力学试件的受力模式与正交异性钢桥面铺装层的受力状态都有较大筹别，复合梁试件与lE交异性铜桥面铺装层的受力比较接近，常用于铺装沥青混合料的疲劳试验，以建立难像学疲劳方程，但是，将复合梁试件应用于断裂力学试验测定铺装沥青混合料的疲劳扩展常数，没有相应的理论依据和试验方法。本文结合复合梁疲劳试验分析和复合梁断裂力学数值计算，依据刚度等效条件，导出了唯像学疲劳方程的同门系数与疲劳扩展常数之间的关系式。　　6，正交异性钢桥面铺装层疲劳寿命预测　　将前面得剑的应力强度因子深度函数式和沥青混合料的疲劳扩展常数代入Paris公式，由裂缝初始深度积分至临界深度，得全0标准轴载作刚次数。再由交通晕数据和轴载换算方法，可以得到铺装层的使崩年限。裂缝的初始深度由现场观测确定，为了将备类非标准轴载组成的交通流换算为标准轴载作用次数，由Paris疲劳扩展模犁导出了钢桥面铺装层轴载换算方法。　　最后，依据上述几个方面的研究成果，建立了钢桥面铺装层疲劳寿命预测方法，并以一个实例工程验证了该预测方法的准确性。　　

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