摘 要

正交异性桥面板在国内外大中跨度桥梁运用非常广泛，在桥面板领域起到不可或缺的作用，在钢桥运营使用的时候，若检测到结构产生裂纹，应该尽快采取一定的措施，对裂纹进行修复并加固，从而抑制住裂纹进一步扩展的趋势。研究疲劳开裂的控制措施对钢桥的发展十分重要。

正交异性钢桥面板除了算在桥面体系内，同时也是主梁的组成部分。作为主梁截面的一部分，它不光是纵横梁的上翼缘，也是主梁的上翼缘。传统分析正交异性钢桥面板的方法是将它作为三个结构体系加以分析，分别为（1）主梁体系（2）桥面体系（3）盖板体系。本文研究方法是建立ANSYS简化模型，将正交异性钢桥面板放在九江长江大桥整体ANSYS模型中，整体受力进行分析。

本文运用ANSYS软件建立了的钢桥三维有限元分析模型。分析了恒载作用下的受力。比较了全桥正交异性桥面板受力分布规律，选出最不利位置，进一步研究疲劳荷载。九江长江大桥（一桥）正交异性桥面板在复杂应力荷载作用下产生的疲劳开裂破坏。在桥梁模型上用弹性约束将正交异性桥面板加在桥梁表面，在重力作用下选出最不利荷载平面，在该平面上附加车辆荷载，得出在改情况下正交异性钢桥面板的应力分布，然后将有无车辆荷载的两种应力分布对比研究，计算出钢桥面板损伤度，然后根据损伤度计算出钢桥面板的预期疲劳寿命为127年。

关键词： 正交异性桥面板，复杂应力荷载，疲劳开裂

Abstract

Orthotropic bridge deck is widely used in large and medium span bridges at home and abroad, and plays an indispensable role in the field of bridge deck. If cracks are detected in steel bridge operation, some measures should be taken as soon as possible to repair and reinforce the cracks, so as to restrain the trend of further crack propagation. It is very important to study the control measures of fatigue cracking for the development of steel bridges.

Orthotropic steel deck is not only included in the deck system, but also a part of the main girder. As a part of the cross section of the main beam, it is not only the upper flange of the longitudinal beam, but also the upper flange of the main beam. The traditional method of analyzing orthotropic steel deck is to analyze it as three structural systems, namely (1) main girder system (2) deck system (3) cover system. The research method of this paper is to establish a simplified ANSYS model. Orthotropic steel bridge deck is placed in the ANSYS model of Jiujiang Yangtze River Bridge, and the whole force is analyzed.

In this paper, a three-dimensional finite element analysis model of steel bridge is established by using ANSYS software. The force under dead load is analyzed. The stress distribution of orthotropic bridge deck is compared, and the most disadvantageous position is selected to further study the fatigue load. Fatigue cracking failure of orthotropic deck of Jiujiang Yangtze River Bridge (No. 1 Bridge) under complex stress loading. In the bridge model, orthotropic deck is added to the bridge surface with elastic constraints, and the most unfavorable load plane is selected under the action of gravity. Vehicle loads are added to the plane to obtain the stress distribution of orthotropic steel deck under the modified condition. Then the two kinds of stress distribution are compared and studied to calculate the damage degree of steel deck, and then the damage degree is calculated according to the damage degree. The expected fatigue life of steel deck is 127 years.

Keywords: Orthotropic deck, complex stress load, fatigue cracking

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摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 5

1.1 研究背景 5

1.1.1 正交异性桥面板的破坏问题 5

1.1.2 国内外研究现状 5

1.2 本文主要研究内容及意义 6

1.2.1 研究内容 6

1.2.2 研究意义 6

第2章 钢桥疲劳性能分析理论 7

2.1 结构疲劳破坏的基本概念 7

2.2 疲劳累积损伤理论 8

2.2.1 线性疲劳累积损伤理论 8

2.2.2 非线性疲劳累积损伤理论 9

2.2.3 概率疲劳累积损伤理论 12

2.2.4 对疲劳累积损伤理论的讨论 12

2.3 常用的疲劳寿命估算方法 12

2.3.1 S-N疲劳曲线法 13

2.3.2 断裂力学法 14

第3章 正交异性桥面板的建模 18

3.1 正交异性桥面板设计要素及其建模 18

3.1.1 工程概况 18

3.1.2 设计要素 18

3.1.3 建模分析 21

第4章 正交异性桥面板疲劳性能分析 27

4.1 检算目的与依据 27

4.2 检算内容 29

第5章 结论与展望 31

5.1 结论 31

5.2 展望 32

参考文献 33

绪论

研究背景

正交异性桥面板的破坏问题

自1940年以来,OSD(Orhotropic steel deck)一直在逐步成为现代钢桥主要组件形式和重要系统的一部分。大跨度桥梁由于其强度高、重量轻,桥面结构逐渐被正交异性钢桥面所占据。并且在中跨桥梁、现有的桥梁加固工程条件下,正交异性桥面板也发挥着强有力的竞争作用。

对钢桥面板的抗疲劳性能评估主要问题在于：一方面，在结构体系上，可以明确确定正交异性钢桥面板的疲劳损坏补位和主要疲劳形式是对其抗疲劳性能主要研究的前提；另一方面，运用适当的抗疲劳评估方法是研究正交异性钢桥面板的基础。

正交异性钢桥面板由顶板、纵肋与横肋三部分组成，主要采用焊接方式连接。但是正交异性钢桥面板的疲劳开裂问题因其结构受力大、使用环境差、荷载要求高、结构体系设计制造和结构细节复杂而突出。顶板、横隔梁和U形肋焊接容易产生疲劳损伤,将对于钢桥梁的安全，耐久，使用产生严重的影响。疲劳开裂大大降低了桥梁结构的使用寿命，将会导致交通中断等多重影响，造成了巨大的经济损失，产生了消极的社会影响，现在，这个问题已成为制约钢桥工程发展的全球性问题。因此，我们有必要建立一个合理的计算模型，以准确分析钢桥正交直板运行过程中的疲劳抗力。

国内外研究现状

目前在世界上,各国已建成500多座正交异性钢桥面桥。我国目前正在运营和规划200多座此类桥梁,充分说明该结构的推广应用将有力地推动桥梁工程向大跨度、重载、结构多样化方向发展。

国内外专家对正交异性钢桥面板的进行分析研究。徐双江等人以南京长江三桥为例,分析了两种基本应力体系下正交异性钢桥面板的力学特性。在钢桥面静载试验的基础上,陆明龙等。提出了简化的应力计算模型,并对正交异性桥面疲劳裂缝提出了分析和控制措施。

由于钢桥建好以后，钢桥面板不可能进行更换，而一旦产生裂纹，维修又是一件很困难的事情。所以在从其产生到发展的几十年来，通过一系列试验和有限元分析，并结合实例对钢桥面板的构造细节设计和焊接有了很大的改进，使得其裂纹产生大大减小，降低了维修成本。具体措施例如钢桥面板的接头构造，将过去工地焊接常用的纵向肋焊接对接和高强度螺栓对接改为陶瓷衬垫单面焊双面成型工艺；在U型肋上运用高强度螺栓对接，既克服了需要仰焊对接的不方便性，又改善了U肋的抗疲劳性能。

本文主要研究内容及意义

研究内容

正交异性钢桥面板除了算在桥面体系内，同时也是主梁的组成部分。作为主梁截面的一部分，它不光是纵横梁的上翼缘，也是主梁的上翼缘。传统分析正交异性钢桥面板的方法是将它作为三个结构体系加以分析，分别为（1）主梁体系（2）桥面体系（3）盖板体系。本文研究方法是建立ANSYS简化模型，将正交异性钢桥面板放在九江长江大桥整体ANSYS模型中，整体受力进行分析。在分析结果中，运用S-N曲线法，计算出正交异性钢桥面板的疲劳损坏次数，然后分析是否可以达到桥梁使用寿命。

正交异性钢桥面板的疲劳是裂纹在重复连续的荷载作用下不断发展以至断裂的全过程。它是钢材内部不断耗散能量和损伤积累的结果。对于正交异性钢桥面板，焊缝众多，会有较多的微小缺陷，微小缺陷在连续反复荷载作用下发展成为微观裂纹。同时己有的微观裂纹尖端应力集中导致其不断扩展，出现宏观裂纹，宏观裂纹发展使断面削弱，发生脆性破坏。所以我们需要得出可以解释疲劳机理的理论模型，为更好应用正交异性钢桥面板做铺垫。

正交异性钢桥面板受到主应力后，引起的疲劳裂纹的地方不是特别多。所以本文主要研究内容是在钢桥梁ANSYS模型建立的基础上，对模型进行恒载受力分析，得到桥梁受力的薄弱平面，在该薄弱面上，我们附加车辆荷载，通过计算出薄弱面在附加车辆荷载前后产生的应力应变的大小，运用S-N曲线来计算出桥面板抗疲劳破坏的能力以及大小。

研究意义

正交异性钢桥面板在连续的动荷载作用下出现裂纹后，其裂纹会随着时间的推移而扩展变大，这将会严重影响桥梁结构的安全性和耐久性。在钢桥运营阶段，如果检测到结构产生裂纹，应该及时对裂纹进行修复，从而延缓抑制裂纹的进一步扩展研究疲劳开裂的控制措施对钢桥的发展十分重要。目前国内外专家学者对疲劳的控制措施进行过很多研究，大体可以分为传统修复加固方法和新型修复加固方法。

本文在研究正交异性钢桥面板的过程中，可以更加精确地了解到在钢桥的使用过程中，正交异性钢桥面板的结构部分产生了裂纹和断裂破坏，在分析其受力结果的过程中，可以更加透彻的了解到对其疲劳的控制应该着重放在哪些部分，便于以后的研究过程中可以对症下药，对于特定的破坏形式采取特点的修复加固方法。

通过该课题，培养我们查阅文献、独立思考、动手操作的能力，提高我们创新意识，同时，让我们对国内外正交异性桥面板疲劳性能研究的现状有一定的认识；巩固大学所学的理论知识，学习很多其他知识如断裂力学、有限元等方面的知识，对ansys软件的建模操作也更加熟悉。另外，通过软件建模，掌握建模分析的基本步骤、方法与原则，学会对计算出的数据的分析，找到其中规律；利用实际案列来提高我们解决实际问题的能力。

钢桥疲劳性能分析理论

疲劳性能分析不是包含在哪一门学科，它同时属于材料、力学和设计三个领域。进行疲劳性能研究分析的过程中所需要用到的力学方法，例如应力分析和疲劳寿命的计算，与经典的方法有很大的差异。本章的主要内容是疲劳性能分析研究的基本理论。

结构疲劳破坏的基本概念

1. 结构疲劳的定义

在某点或某些点承受反复作用应力，且在足够多的循环作用后形成裂纹或完全断裂时，材料中所发生的局部永久结构性变化的发展过程，称为“疲劳”。

疲劳问题与强度问题的本质区别是：

①很小的应力幅度变化就能产生疲劳破坏；

②疲劳是多次应力循环累计作用的结果；

③疲劳破坏属于脆性破坏，因为其破坏前没有产生很明显的塑性变形。

④疲劳破坏不仅与材料本身有关，还与构件的使用条件以及环境因素有关。

1. 正交异性钢桥面板的主要疲劳病害成因分析

由于正交异性钢桥面板结构复杂，所以其产生疲劳裂纹的原因有许多。我们对于其中产生的一类原因进行简要分析：钢桥面板与U型肋板纵向角焊缝的裂纹成因分析：车轮荷载在不同的位置作用，纵向的U型肋板就会产生纵向挠曲变形，从而引起钢桥面板变形，使得钢桥面板与纵向U肋角焊缝焊脚产生较大次弯矩。如果结构的构造设计不合理，那么将使角焊缝焊脚处的次弯矩会进一步变大。这个时候，如果焊接施工存在一定的不规范，如由于焊脚处焊缝冷却收缩形成缺口等，就将导致焊缝开裂。

图2-1 正交异性桥面板主要疲劳损坏

疲劳累积损伤理论

结构发生疲劳破坏是一个不断累积的过程，累积损伤理论就是在疲劳试验和理论分析的基础上研究其疲劳损伤的规律，也可以说是研究每一次应力循环与此次应力循环造成的疲劳损伤之间存在什么样的关系。本节将对现有的疲劳累积损伤理论进行简单的介绍。

线性疲劳累积损伤理论

线性疲劳累积损伤理论的意思是在不同的应力循环下，每个应力循环所造成的疲劳损伤是互不影响的，当总的损伤累积达到其临界值时，材料就会产生疲劳破坏。Palmgmn-Miner线性疲劳累积损伤理论给出了一个公式：

(2-1)

式中：—疲劳损伤；

—应力循环下的次数；

—该应力下的疲劳寿命。

Miner线性累积损伤理论认为在多个不同的疲劳荷载的加载下，各个荷载下的应力循环所产生的疲劳损伤可表示为，因此结构在多个疲劳荷载下的疲劳损伤可表示为：

（2-2）

当结构发生疲劳破坏时，。

但大量的实验数据表明，疲劳荷载加载的顺序对于桥梁构件的疲劳寿命有很大的影响。因此Miner理论实际上并没有很好的体现疲劳累积损伤的规律，尽管如此，但由于基于Miner理论来分析结构的疲劳损伤的方法简单方便，在桥梁结构的疲劳损伤计算中一般可以满足误差要求，所以其仍被普遍采用。

所以，后来的学者在Miner的基础上提出了更好的，可以更充分的体现疲劳积累损伤规律的理论。在这些理论中最常用的就是修正的线性累积损伤理论，其表达式为：

（2-3）

式中的表达的是发生疲劳破坏时的疲劳损伤，通常由试验确定。

非线性疲劳累积损伤理论

尽管Miner理论可以满足很多结构的疲劳寿命估计，但在一些复杂的情况下还是会有很大的误差，因此，许多科学家便提出了非线性疲劳累积损伤理论。

1. Marco-Starkey理论

这是出现的比较早的一个非线性疲劳累积损伤理论，它将疲劳损伤定义为：

（＞1）（2-4）

式中是与应力相关的常数，一般在试验中来确定。这种疲劳累积损伤理论定义：1）结构发生疲劳破坏与荷载的加载顺序无关，只与有关，只要疲劳损伤的值累积到1，结构就发生疲劳破坏。2）结构发生疲劳破坏时，各个不同疲劳荷载下的循环次数之比的和有一个与之相对应的破坏临界值，这个值由荷载的顺序和应力的水平来确定。

但是由于这种方法中很难确定，所以在生活中并没有实际的应用。

1. Henry疲劳累积损伤理论

Henry在材料发生疲劳损伤以后与之前S-N曲线变化的基础上，提出了自己的疲劳累积损伤理论，认为：

1. 在一定次数的应力循环后，材料发生了疲劳损伤，发生疲劳损伤以后材料的S-N曲线与损伤之前的S-N曲线具有相同的形式，但是曲线中的常数项会发生变化；
2. 将疲劳损伤定义为：

(2-5)

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