细观尺度下正交异性钢桥面板疲劳机理研究

Orthotropic steel deck is widely used for long-span bridges, however, the fatigue problem on its welded joints severely affected the severability and durability. The macroscopic fatigue tests and numerical simulations failed to predict the fatigue performance of welded joints, due to their incapability in taking into account the mesoscopic effect, which is quite significant on this issue. As a result, premature fatigue on welded joints of orthotropic steel decks bring a large number of costs on management, maintenance and rehabilitation. This research will firstly conduct the fatigue test, residual stress test and fractography analysis on orthotropic steel deck, thus determine the characteristics of the mesoscopic structure, fatigue crack propagation and life, and obtain mechanical characteristics and fatigue parameters in crucial areas. Secondly, in the range of meso-scale, explore the mechanism of crack initiation and short crack propagation, the crack growth law in heterogeneous material, and develop the corresponding numerical simulation tools. Thirdly, build the multi-scale analysis methods to achieve the simulation of whole fatigue crack process, and to predict the fatigue life. Through this research, a mesoscopic fatigue damage theory, as well as the corresponding numerical simulation tools can be developed. Finally, a set of multi-scale based solution will be put forward to analysis random fatigue performance.

正交异性钢桥面板是大跨径桥梁常用的结构形式，其焊接接头位置的疲劳问题将极大地影响桥梁的使用性及耐久性。由于细观尺度效应对焊接接头的疲劳性能影响很大，而宏观尺度的试验及数值模拟研究无法考虑这一因素，导致了过早的疲劳开裂，产生了大量的管理养护及维修成本。首先，通过正交异性钢桥面板的疲劳试验及残余应力测试，结合断面分析技术，确定典型的细观结构特征、疲劳裂纹扩展过程及寿命，获得关键区域的力学特征及疲劳性能参数。其次，根据前述结果，在细观尺度下探究裂纹初始形成及短裂纹扩展阶段的疲劳损伤机理，确定细观非均匀结构的开裂规律及适用理论，并开发相应的数值模拟工具。再次，结合宏观模型建立多尺度分析方法，实现疲劳裂纹全过程模拟，预测其疲劳寿命。通过本课题的研究，将形成适用于正交异性钢桥面板的细观疲劳损伤分析理论，建立相应的数值仿真工具，并提出一套多尺度的随机疲劳性能分析解决方案。

正交异性钢桥面板焊缝处易出现疲劳裂纹，严重影响了桥梁的使用性及耐久性。考虑到焊缝疲劳问题的实质是由细观缺陷逐步发展为宏观裂纹，本项目针对正交异性钢桥面板焊缝的疲劳问题，从细观尺度疲劳行为出发对其疲劳开裂机理及过程开展了研究，内容涉及：1）正交异性钢桥面板疲劳试验及细观尺度特征分析；2）正交异性钢桥面板关键焊缝的细观模型及非一致多尺度方法；3）正交异性钢桥面板焊接残余应力分析及其对裂纹扩展的影响分析；4）考虑随机性的疲劳寿命分析方法及实桥疲劳性能评价。.首先，对直接影响正交异性钢桥面板使用性能的两类疲劳裂纹，即由焊趾和焊根处萌生并穿透顶板的疲劳裂纹，通过两组疲劳试验设计开展了基于Beach marking方法的疲劳试验研究。并且，通过对断口或截面的显微观察分析，得到了焊趾裂纹及焊根裂纹受不同因素影响导致的裂纹形成方式及扩展行为。其次，对焊缝处存在细观尺度随机缺陷的裂纹行为进行了分析，提出了适用随机缺陷作用下的早期裂纹扩展均质化方法。另外，采用非一致多尺度方法基于试验结果开展了裂纹扩展率分析，显示出疲劳裂纹在缺陷影响下的结果离散性问题。再次，基于三种常用焊接热源模型，模拟了正交异性钢桥面板顶板-U肋焊缝的焊接热过程，得到了焊接残余应力分布，并据此分析了考虑残余应力作用的裂纹扩展率。最后，考虑到前述研究所反映的细观缺陷、裂纹扩展行为的不确定性，提出适用于正交异性钢桥面板顶板-U肋焊缝疲劳问题的概率断裂力学模型。并且，考虑实桥管养需求提出分阶段疲劳评价思路，根据其实测车流荷载给出了宏观可检测裂纹形成的概率分析。.通过研究，将有助于改善目前基于宏观尺度疲劳试验的正交异性钢桥面板疲劳性能评价及设计方法，使其更多考虑这一疲劳问题中细观尺度特征影响，提高对疲劳开裂全过程行为机理的认识，并推动其在实际工程中的应用。