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鋼管混凝土拱橋管節(jié)點疲勞性能研究
對鋼管混凝土橋而言,管節(jié)點是承載荷載的關鍵部位,也往往是整個結構的薄弱環(huán)節(jié)。
《鋼管混凝土拱橋管節(jié)點疲勞性能研究》根據對國內外鋼管混凝土橋疲勞問題的調研,通過理論分析和試驗研究相結合的方法,對下述問題進行了研究: 1.廣泛收集調研國內外鋼管混凝土典型焊接節(jié)點疲勞研究的相關成果,針對實際工程需求和有待解決的設計問題,提出《鋼管混凝土拱橋管節(jié)點疲勞性能研究》研究的相關課題。 2.通過鋼管混凝土管節(jié)點靜載試驗,實測了鋼管混凝土管節(jié)點的名義應力、熱點應力,并由此得到鋼管混凝土管節(jié)點的應力集中系數,同時還建立了精細的三維有限元模型,對試驗構件進行應力計算,并與試驗實測值進行對比驗證。 3.針對鋼管混凝土管節(jié)點的應力集中和應力集中系數進行了研究,分析了應力集中的原因及相應的影響因素,對比研究了空心管節(jié)點和鋼管混凝土管節(jié)點應力集中的差異性,提出了應力集中緩減系數q的概念,并運用APDL(參數化語言)的方法建立有限元模型,再通過NLSF(非線性最小平方擬合)的方法進行多個獨立變量的擬合和相關系數的分析得到q的表達式,在空心管應力集中系數公式的基礎上提出了鋼管混凝土管節(jié)點應力集中系數的計算公式。 4.通過管節(jié)點模型的疲勞試驗并對試驗數據進行統(tǒng)計分析,提出了鋼管混凝土表面裂紋長度達到3倍壁厚時管節(jié)點疲勞失效的判別準則。通過疲勞試驗加載與裂紋擴展的全過程證明,對鋼管混凝土節(jié)點來說,由于混凝土的約束作用,疲勞裂紋擴展的壽命還相當長,因而當疲勞裂紋深度穿透主管壁厚,表面裂紋長度達到3倍壁厚時(約為30mm),管節(jié)點疲勞失效的判別準則對于疲勞荷載作用下的節(jié)點是安全的。 5.以試驗現象為基礎,進行管節(jié)點的力學模型分析和裂紋開裂點的預測研究,提出了管節(jié)點力學模型和熱點區(qū)域疲勞裂紋開裂位置的計算公式,該模型可解釋空心管和鋼管混凝土熱點位置轉移的力學現象,預測管節(jié)點疲勞起裂點的位置,并給出解析解!朵摴芑炷凉皹蚬芄(jié)點疲勞性能研究》用該模型提出的公式計算了曹娥江大橋疲勞試驗模型管節(jié)點的開裂位置,與試驗結果吻合較好;該模型及公式可以對今后類似的管節(jié)點疲勞開裂及工程實踐起指導作用。 6.用傳統(tǒng)的S—N曲線法和斷裂力學的方法對鋼管混凝土管節(jié)點的疲勞強度及裂紋擴展壽命進行研究,提出了鋼管混凝土相應于空心管(DT類)的疲勞強度修正系數,并由此得到鋼管混凝土管節(jié)點S—N曲線的修正方程;從斷裂力學的角度提出了鋼管混凝土管節(jié)點裂紋擴展的計算方法,并通過疲勞試驗數據確定了裂紋擴展計算公式的參數取值,使得該方法可運用于管節(jié)點的裂紋擴展壽命計算。 7.在試驗和理論研究的基礎之上,以曹娥江大橋為例,建立了全橋有限元模型,再分別運用《鋼管混凝土拱橋管節(jié)點疲勞性能研究》所提S—N曲線修正方程和斷裂力學兩種方法計算其疲勞壽命,兩種方法互為驗證,并由此建立鋼管混凝土橋管節(jié)點疲勞壽命評估流程。
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