摘要
正交异性钢桥面板顶板疲劳裂纹对桥面系安全使用危害大并且修复困难。正交异性钢桥面板大多采用基于名义应力法的疲劳设计方法。然而，实际工程中顶板发生疲劳开裂时远没有达到预估的疲劳寿命。本文针对正交异性钢桥面板顶板纵肋焊缝细节，给出了三种改进的焊接节点疲劳性能评估方法：简化节点结构应力法、缺口应力法、考虑焊接残余应力影响的疲劳寿命评估方法。并基于这三种方法，对比分析了江阴长江大桥的疲劳寿命。本文的主要研究工作和取得成果如下：针对顶板纵肋焊缝细节的结构特征和受力特征，提出了一种简化节点结构应力法。考察了简化节点结构应力法计算结果的准确性和网格敏感性，根据正交异性钢桥面板顶板纵肋构件疲劳试验结果，验证了主S-N曲线的有效性，并对超高周循环下不同斜率和转折点的主 S-N 曲线进行了讨论。建立了江阴长江大桥壳-实体多尺度模型，考察了车辆超重对桥梁疲劳寿命的影响。研究了缺口型式、缺口半径大小对缺口应力的影响。根据顶板纵肋构件的试验结果，给出不同缺口型式和缺口半径下的缺口应力疲劳设计曲线斜率和强度等级。根据推荐的顶板纵肋焊缝细节缺口型式和相应的疲劳设计曲线，基于缺口应力法计算了江阴长江大桥的疲劳寿命，讨论了超高周循环下缺口应力法S-N曲线斜率和车辆超重对疲劳寿命的影响。研究了正交异性钢桥面板顶板纵肋焊缝细节的焊接残余应力分布特征并进行试验验证。基于金属疲劳理论，提出了一种考虑平均应力修正的全空间S-N曲线，即M-S-N曲线，建立起一种考虑焊接残余应力影响的疲劳寿命评估方法。考察了焊接节点在外循环荷载下的焊接残余应力松弛效应，以及平均应力对疲劳寿命的影响。基于江阴桥多尺度模型，采用生死单元技术，得到顶板纵肋焊缝细节焊接残余应力与车辆荷载应力相耦合的真实应力。基于该真实应力，采用 M-S-N 曲线计算了不同车重和不同板厚下的江阴大桥顶板纵肋焊接细节疲劳寿命，并与名义应力法、简化节点结构应力法、缺口应力法的计算结果进行了比较。对于正交异性钢桥面板顶板纵肋焊接细节，推荐采用考虑焊接残余应力法评估疲劳寿命：即根据焊接细节焊接残余应力与车辆荷载应力耦合的真实应力，采用考虑平均应力修正的 M-S-N 曲线计算疲劳寿命。当采用缺口应力法进行计算时，焊趾缺口型式相切，缺口半径1mm，疲劳设计曲线应采用疲劳强度等级FAT205，应力循环次数N≤107和N＞107（超高周循环）时的S-N曲线斜率分别取3.5和5。当仅需要考虑焊趾疲劳寿命时，可采用简化节点结构应力法进行计算，主S-N曲线在超高周循环下的斜率取5。
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