摘 要

由于能够轻易地实现大跨度的连接，如今悬索桥被广泛的运用到桥梁工程之中。其中钢桁梁悬索桥由于其便于制造，自重轻的优点各国所喜爱。然而随着交通荷载的与日俱增，钢桁梁悬索桥的设计要求也愈发严格，因此关于钢桁梁悬索桥的疲劳问题也受到了学者们的广泛关注。悬索桥疲劳研究方面的工作也被提上了日程。

本文首先介绍了关于疲劳的基本理论，根据美国AASHTO、英国BS5400、欧洲EN19931-9等外国规范，同时结合我国已实施的《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64-2015）新规范确定了公路钢桥疲劳荷载模型。之后引出了本文研究的对象：湖北宜昌白洋长江大桥——一座主跨为1000m的双塔单跨钢桁梁悬索桥，此桥桥是连接宜张高速的节点工程。此桥预期荷载水平高，疲劳风险等级大，因此本文以此桥为工程背景，采用MIDAS/CIVIL建立了全桥有限元模型，对主桁上弦杆，下弦杆，斜腹杆竖腹杆等杆件进行了寿命的评估。通过主桁杆件的应力幅找到了最容易产生疲劳破坏的构件位置。其中以我国最新规范《公路钢结构桥梁规范》中的第二类标准疲劳车为加载车辆，同时参考了英国BS5400规范，探明了主桁杆件200万次的等效应力幅，之后与规范中的疲劳细节应力幅对比，最后得出了个个杆件的最大应力幅，其中斜腹杆的最大为63.456MPa，小于规范中其构造细节的容许应力幅90MPa，因此白洋长江大桥主桁杆件疲劳性能满足要求。

关键词：大跨度悬索桥，疲劳分析，有限元分析，钢桁架

abstract

Suspension bridge is widely used in bridge engineering nowadays because it can easily realize links of super-long span. Among them, steel truss suspension bridge is popular in many countries because of its advantages of easy manufacture and light weight. However, with the increasing traffic loads, the design requirements of steel truss suspension bridges are becoming stricter and stricter, so the fatigue problem of steel truss suspension bridges has also been widely concerned by scholars. The fatigue research of steel truss suspension bridges has also been put on the agenda.

Firstly, this paper introduces the basic theory of fatigue. According to the American AASHTO, British BS5400, European EN19931-9 and other foreign codes, the fatigue load model of highway steel bridges is determined according to the new codes of "Design Code for Highway Steel Structures and Bridges" (JTGD64-2015), which have been implemented in China. At the same time, the software for fatigue numerical simulation of centralized steel bridges is also introduced. After that, the object of this paper is drawn: Baiyang Yangtze River Bridge in Yichang, Hubei Province, a double-tower and single-span steel truss suspension bridge with a main span of 1000m. Baiyang Yangtze River Highway Bridge in Yichang is a control node project of Yichang-Zhangzhou Expressway, an inter-provincial Expressway and an important hub linking western Hubei and Western Hunan, and an important group of "Longitudinal 6" in the planning of "753" skeleton highway network in Hubei Province.. The expected load level of the bridge is high and the fatigue risk level is high. Therefore, this paper takes the bridge as the engineering background, uses MIDAS/CIVIL to establish the finite element model of the whole bridge, and evaluates the life of the main truss members. Based on the principle of load influence line, the positions of the maximum stress amplitude elements of the main truss are obtained. The second kind of standard fatigue vehicle in the latest Code of Highway Steel Structures and Bridges in China is used as the loading vehicle, and the equivalent stress amplitude of the main truss member is found out by referring to the BS5400 Code of Britain. Compared with the fatigue detail stress amplitude in the code, the maximum stress amplitude of the main truss member is 63.456 MPa, which is less than the allowable stress amplitude of 90MPa private Baiyang Yangtze River. The fatigue performance of the main truss members of the bridge meets the requirements.

Key words: long-span suspension bridge, fatigue analysis,FEA, steel truss beam

目录

摘要 1

abstract 1

绪论 1

1.1主要研究内容 1

1.2国内外的研究现状分析 1

1.3钢桁架中易产生疲劳破坏的结构特点 4

第二章 钢桥疲劳研究理论 5

2.1疲劳基本概念 5

2.1.1疲劳特征 5

2.1.2循环应力 5

2.1.3疲劳寿命 7

2.2公路钢桥疲劳评估方法 7

2.2.1S-N曲线简介 7

2.2.2名义应力法 8

2.3国内外疲劳规范对比 10

2.3.1美国AASHTO规范 10

2.3.2英国BS5400疲劳规范 11

2.3.3欧洲EN19931-9规范疲劳细节分类 12

2.3.4我国公路港桥规范构造细节 14

2.4公路钢桥疲劳荷载模型 16

2.4.1公路钢桥疲劳荷载模型分类 16

2.4.2不同规范中标准疲劳荷载模型对比 19

第3章 大跨境悬索钢桁梁桥主桁杆件疲劳评估 19

3.1工程概况 19

3.2全桥有限元模型建立 21

3.3主桁杆件疲劳寿命评估 24

3.3.1白洋长江大桥交通量计算 24

3.3主析杆件疲劳寿命评估 27

第4章 结论 27

4.1结论 27

4.2展望 27

致谢 28

绪论

1.1主要研究内容

本论文的目的和意义

大型桥梁是让人通过江河湖海的主要交通设施，是交通运营的咽喉要道，有着促进国民经济发展的重要作用。桥梁结构朝着跨度大、结构新、质量轻的方向发展是历史的必然趋势，用钢材在部分结构中代替混凝土，与其组成混合桥面系，可以大大减轻结构的自重，所以钢结构正在被广泛应用于新型的桥梁结构中。钢桥中钢材的连接方式一般有焊接、铆接、螺栓连接。其中，焊接方式在现代钢桥中应用最广泛。但是，这也往往导致了很严重的疲劳问题。随着桥梁结构的发展，其结构变得愈发复杂，很多构造细节是规范上没有的，因此大大增加了设计人员进行疲劳计算的难度。如今只有通过疲劳试验来获得构造细节的疲劳曲线，但是这种试验一般要耗费巨额的资金，所以一般模型试验的次数很悠闲，从统计学的角度来说，试验结果离散性比较大，不具有代表性。因此对新型构造细节进行深入的理论分析有重要意义和工程实用价值。

湖北宜昌白洋长江大桥是国内最大跨径的双层钢析梁公路悬索桥，此桥主梁采用Q345qD刚材，主桁采用华伦式桁架，横向共两片主桁，中心间距36m，桁高7.5m，全桥主桁共划分为35个节段，标准节段节间长7.5m，2个节间（15m）设一吊索吊点，4个节间作为一节段现场整体吊装，标准节段吊装长度30m。因此这这部分主桁杆件是提前在工厂内焊接完成的，节段之间通过吊装之后用螺栓连接。

1.2国内外的研究现状分析

多梁钢桥腹板间隙区疲劳裂纹的形成是由于梁间的差异变形导致横隔梁受力导致的腹板间隙平面外变形而引起的一种常见现象。然而，桥梁设计规范并没有直接处理变形引起的应力。Yared Shifferaw与F.S. Fanous通过现场试验和有限元分析，研究斜交多梁钢桥的腹板间隙变形特性。现场试验包括使用放置在腹板间隙区域和邻近腹板间隙的交叉支撑中的应变计测量八个荷载情况下的应变。现场试验结果作为有限元模型验证的依据。利用有限元分析方法研究了腹板间隙的临界点。研究了加固方法，包括在加劲肋和梁顶翼缘之间提供连接板，松开连接交叉支撑和加劲肋的螺栓，以及在原有加劲肋侧对面补充加劲板。对一座斜交多梁钢桥进行了现场试验和有限元分析。在现场试验过程中，使用8个荷载情况记录了腹板间隙和横隔梁的应变。通过现场试验，验证了所建立的有限元模型。对有限元模型进行了进一步的修正，以研究补强时的腹板间隙变形行为。

本文所述的现场试验和分析研究表明：

1.当将荷载定位在远离腹板间隙区域时，可以观察到现场比较结果与有限元分析结果之间的较好一致性，这表明腹板间隙中的变形对靠近腹板间隙区域的荷载的敏感性。

2.通过提供一块连接腹板加劲肋和主梁上翼缘的板，对桥梁进行了竣工改造，发现该改造有效地减少了腹板间隙中可能引起的平面外变形。

3.全螺栓松动改造方案显著降低了腹板间隙产生的应变和应力。在腹板间隙上增加一个外部加劲肋可以减少该区域的平面外变形，但效果不如考虑的其他改造方法。

4.腹板间隙高度研究结果表明，由于横隔板力的作用，最短的腹板间隙高度导致了最大的垂直应变和主应变。

5.由这些响应影响面方程得出的横隔梁力、平面外位移和腹板间隙应变之间的关系表明，梁之间的差分挠度是造成腹板间隙变形的原因。

6.所开发的应变、相对平面外位移和横隔力影响面有助于快速估计卡车荷载定位对响应（应变、平面外位移和横隔力）的影响，并调查在腹板间隙区域发生的变形。

7.桥梁工程师可以利用具有规定线性应力位移表达式的传感器测量平面外位移，以估计类似腹板间隙临界位置处的应力，并更好地预测腹板间隙细节的疲劳寿命。建议由于腹板间隙区域的敏感性质，桥梁工程师应将应变计放置在关键位置，还必须仔细监测卡车在桥面板上的位置，并在现场试验期间记录相应的应变读数。

Dongyan Xue;与Yuqing Liu采用1:4模型对双层组合桁架桥组合节点的疲劳性能进行了研究，试验结果表明，该节点在疲劳荷载作用下仍处于线性弹性状态。在等幅载荷作用下，接头的刚度逐渐降低。钢与混凝土界面裂纹数量少，裂纹扩展缓慢。对组合桁架节点进行了综合研究，并通过疲劳试验得出以下结论。

（1）试验结果表明，接头在疲劳载荷作用下仍保持线性弹性状态。在等幅加载下，复合材料节点的刚度逐渐降低。