基于斷裂力學(xué)的鋼橋面鋪裝層疲勞壽命研究.pdf

1、鋼橋面鋪裝作為大跨徑橋梁建設(shè)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，是近兒年來國內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)。疲勞破壞是鋼橋面鋪裝層最主要的破壞形式之一。本文在同顧鋼橋面鋪裝研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合多個(gè)大跨徑鋼橋面鋪裝工程研究課題，指出基于唯像學(xué)疲勞方程的鋼橋面鋪裝層設(shè)計(jì)方法存在的局限性，從鋼橋面鋪裝層在使用期間帶裂縫工作的實(shí)際出發(fā)，采用斷裂力學(xué)理論研究鋼橋面鋪裝層的疲勞壽命。 本文以止交異性鋼橋面鋪裝層表面裂縫的疲勞擴(kuò)展為研究對象，以正交異性鋼橋面鋪裝層表面裂縫應(yīng)力

2、強(qiáng)度因子的計(jì)算方法、應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化規(guī)律和影響因素、Paris 疲勞擴(kuò)展模型的計(jì)算參數(shù)、鋪裝層疲勞壽命預(yù)測等為基本研究內(nèi)容，具體做了以下幾個(gè)方面的工作、并得到相應(yīng)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(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算在鋪裝層內(nèi)引入三維表面裂縫，建立了帶裂縫的正交異性鋼橋面系有限元模型；構(gòu)造了12 結(jié)點(diǎn)三維等參奇異單元，并證明了該單元內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變分布的r<'1/2>奇異性，將該奇異單元布置在裂縫前沿模擬奇異應(yīng)力

3、、應(yīng)變場，計(jì)算得到了鋪裝層三維表面裂縫前沿的應(yīng)力強(qiáng)度因子值；基于通用有限元軟件的二次開發(fā)技術(shù)，編制了通用的命令流和程序，完成了建模和計(jì)算工作。 2、正交異性鋼橋面鋪裝層三維表面裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子分析計(jì)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型的鋪裝層表面最大拉應(yīng)變值，發(fā)現(xiàn)裂縫的存在使鋪裝層表面最大拉應(yīng)變值減小，說明表面最大拉應(yīng)變值不適合作為開裂鋪裝層疲勞破壞的控制指標(biāo)，開裂鋪裝層的疲勞破壞由裂縫前沿奇異應(yīng)力場強(qiáng)度所控

4、制，以應(yīng)力強(qiáng)度因子來表征；鋪裝層三維表面裂縫是復(fù)合型裂縫，等效應(yīng)力強(qiáng)度因子反映了三種基本開裂模式的綜合作用，文中同時(shí)計(jì)算和分析了三種基本應(yīng)力強(qiáng)度因子和等效應(yīng)力強(qiáng)度因子。 根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子沿裂縫前沿不同位置的變化，找到最大應(yīng)力強(qiáng)度因子來代表整個(gè)裂縫前沿的應(yīng)力強(qiáng)度因子，并根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)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。 正交異性鋼橋面系眾多結(jié)構(gòu)參數(shù)都影響鋪裝層的受力狀態(tài)，并影響到鋪裝層裂縫

5、的疲勞擴(kuò)展行為，表現(xiàn)為裂縫的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化而變化。通過人量的數(shù)值計(jì)算，分別探討了正交異性鋼橋面系的加勁肋開口寬度、加勁肋高度、加勁肋壁厚、加勁肋間距、橫隔板厚度、橫隔板間距、橋面板厚度、鋪裝層厚度、鋪裝層模量等眾多結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響規(guī)律。 鋪裝層表面裂縫的擴(kuò)展行為隨著裂縫擴(kuò)展的深度而變化，表現(xiàn)為表面裂縫的應(yīng)力強(qiáng)度因子值是裂縫深度的函數(shù)。通過大量的數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)擬合，將表面裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子表示為裂縫深度的二

6、次多項(xiàng)式，二次多項(xiàng)式系數(shù)隨橋面系結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同而變化，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以預(yù)測任意橋面系結(jié)構(gòu)的表面裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子二次多項(xiàng)式，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法、依據(jù)工程實(shí)際選取。 根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度岡子的深度函數(shù)式，確定了鋪裝層表面裂縫疲勞擴(kuò)展的臨界深度。 3、建立和求解帶鋪裝層鋼箱梁多層熱傳導(dǎo)偏微分方程組，分析溫度變化對鋪裝層表面裂縫疲勞擴(kuò)展行為的影響裂縫的應(yīng)力強(qiáng)度因子會(huì)隨溫度應(yīng)力的變化而變化，反映了環(huán)境溫度變

7、化對裂縫疲勞擴(kuò)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(dǎo)偏微分方程組，在給定氣候條件和橋面系熱力學(xué)參數(shù)的條件下，得到了鋪裝層的溫度分布；考慮瀝青混合料應(yīng)力松弛效應(yīng)的條件下，推導(dǎo)了鋪裝層內(nèi)溫度應(yīng)力計(jì)算公式，并計(jì)算了溫度應(yīng)力作用下的裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子。計(jì)算分析表明，正常的日循環(huán)變溫過程中，表面裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子遠(yuǎn)小于材料的斷裂韌性值，溫度應(yīng)力不會(huì)導(dǎo)致鋪裝層裂縫的失穩(wěn)擴(kuò)展，但會(huì)引起裂縫的疲勞擴(kuò)展，而持續(xù)快速降溫過程可能導(dǎo)致鋪裝層裂縫

8、的失穩(wěn)擴(kuò)展，使鋪裝層發(fā)生脆性斷裂破壞。 4、正交異性鋼橋面板第一體系應(yīng)力對鋪裝層受力狀態(tài)和裂縫擴(kuò)展行為的影響正交異性鋼橋面板作為主梁的上翼緣直接參與主梁的作州，橋梁白重、全橋車輛軸重等荷載使橋梁的主梁產(chǎn)生很大的內(nèi)力，而使正交異性鋼橋面板承受著巨大的第一體系應(yīng)力。以初始應(yīng)力模擬正交異性鋼橋面板第一體系應(yīng)力，將初始應(yīng)力施加于局部鋼橋面系模型的鋼橋面板上，分析了正交異性鋼橋面板第一體系應(yīng)力對完好鋪裝層表面應(yīng)變值的影響，文中定義了一個(gè)橋

9、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(yīng)力對鋪裝層應(yīng)變值影響的程度，并數(shù)值擬合得到了橋梁主跨影響系數(shù)計(jì)算式。分析了止交異性鋼橋面板第一體系應(yīng)力對鋪裝層表面裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響規(guī)律，研究表明正交鋼橋面板第一體系應(yīng)力對表面裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子影響不明顯。 5、建立鋪裝瀝青混合料唯像學(xué)疲勞方程回歸系數(shù)與疲勞擴(kuò)展常數(shù)之間的關(guān)系式測定材料的斷裂力學(xué)參數(shù)不僅與材料自身性能有關(guān)，還與試什的受力模式有關(guān)，目前常川的兒類標(biāo)準(zhǔn)斷裂力學(xué)試什的受力模

10、式與正交異性鋼橋面鋪裝層的受力狀態(tài)都有較人差別，復(fù)合梁試件與正交異性鋼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(yàn)，以建立唯像學(xué)疲勞方程，但是，將復(fù)合梁試件應(yīng)川丁斷裂力學(xué)試驗(yàn)測定鋪裝瀝青混合料的疲勞擴(kuò)展常數(shù)，沒有相應(yīng)的理論依據(jù)利試驗(yàn)方法。本文結(jié)合復(fù)合梁疲勞試驗(yàn)分析和復(fù)合梁斷裂力學(xué)數(shù)值計(jì)算，依據(jù)剛度等效條件，導(dǎo)出了唯像學(xué)疲勞方程的同歸系數(shù)與疲勞擴(kuò)展常數(shù)之間的關(guān)系式。 6、正交異性鋼橋面鋪裝層疲勞壽命預(yù)測將前面得到的應(yīng)力