基于概率断裂力学的新型厚边U肋正交异性钢桥面疲劳性能研究

Orthotropic steel decks (OSDs) are widely used at home and abroad. Along with this comes the serious problem of fatigue cracking, especially the longitudinal crack in rib-to-deck joints induced by the transverse stress. Two full-scale fatigue tests, including fatigue tests of the Jiangxun Bridge and Sanyuan Bridge, have already been performed by the candidate, preliminarily indicating that OSDs with Thicken Edge U-rib (TEU) have an enhanced fatigue performance. Basing on that, systematic researches on the fatigue performance of OSD with TEU would be carried out in the proposed project. There critical issues would be particularly paid attentions: 1. Probabilistic fracture mechanics based fatigue damage model for OSDs with TEU; 2. Comparative analysis on fatigue performance of the OSDs with TEU and conventional U-ribs (CU), including the comparative fatigue tests of OSD specimens with TEU and CU, the study on the S-N curve of rib-to-deck joints in OSDs with TEU, investigation on the distributional features of key fracture parameters of OSDs with TEU, and the numerical evaluation on the fatigue performance of OSDs with TEU basing on the test data; 3. Influences of weld shape and other crucial factors on OSDs with TEU. The main ideal of the project is to develop a new type of OSD with better performance, and thus to improve the application of steel bridge in China.

正交异性钢桥面在国内外得到广泛应用，同时出现严重的疲劳开裂，其中以顶板与纵肋焊缝(受横向应力作用)产生纵向开裂最为严重。申请人曾主持江顺大桥钢箱梁和北京三元桥新桥等的钢桥面足尺模型疲劳试验研究，初步了解到厚边U肋桥面具有更好的疲劳性能。在此基础上，本项目将系统开展厚边U肋正交异性钢桥面疲劳性能研究，重点突出三个问题：1 基于概率断裂力学的厚边U肋正交异性钢桥面疲劳损伤模型；2 厚边U肋与等厚U肋的正交异性钢桥面对比性疲劳性能分析，其中包括厚边U肋和常规等厚U肋正交异性钢桥面对比疲劳试验、厚边U肋正交异性钢桥面的顶板与U肋焊缝S-N曲线研究、厚边U肋正交异性钢桥面断裂力学关键参数分布特性研究、基于试验数据和概率疲劳损伤模型的厚边U肋正交异性钢桥面疲劳性能数值评价；3 厚边U肋正交异性钢桥面的焊缝成形工艺和参数影响分析。本项目将探讨和催生疲劳性能优良的新型钢桥面结构形式，推动我国钢桥技术进步。

项目针对新型厚边U肋钢桥面疲劳性能问题，开展模型试验、理论分析和实用性研究。1 开展18个足尺模型对比疲劳试验，测量顶板与U肋焊缝疲劳强度：厚边U肋桥面的平均疲劳强度为93MPa (名义应力)和118MPa (热点应力)，比常规等厚U肋的提高27%~32%。2 建立精细单元模型，采用等效切口应力方法详细计算焊缝局部应力，从理论上研究和说明厚边U肋桥面疲劳强度提升的机理，并得到适当增大焊缝开口角度有利于提高疲劳性能的结论。3 采用物理与数值混合的疲劳试验方法开展大规模概率模拟和统计分析，得到实用性重要结论：厚边U肋与顶板焊缝的名义应力疲劳强度大于85MPa，比等厚U肋的强度增加15MPa以上。4 采用随机车流模型建立顶板与两种U肋焊缝应力谱计算疲劳寿命，研究表明，应用厚边U肋能够提高典型车辆荷载作用的疲劳寿命为164%~215%。5 采用可靠度理论研究动态贝叶斯网络的桥面疲劳性能问题，结果表明，厚边U肋与顶板焊缝疲劳强度的提高能够使桥面整体疲劳可靠度得到显著提升，由此大幅度降低运营维修费用与难度。6 在完成计划任务的基础上，深化和拓展研究内容，进一步开展焊后退火的厚边U肋桥面6个足尺模型疲劳试验和理论研究，初步研究表明：退火的厚边U肋桥面疲劳强度还可再提高15%以上。7 主编行业标准《桥梁钢结构用U形肋冷弯型钢(YB/T 4624-2017)》，将新型厚边U肋规格列入标准；将厚边U肋疲劳强度研究成果列入《城市钢结构桥梁设计标准》(征求意见稿)。厚边U肋已经应用到武汉杨泗港长江大桥(1700m世界最大跨度双层桥面悬索桥，厚边U肋用量6800吨)、北京首都环线高架桥(2100吨)、太原五一路高架桥(470吨)、北京三元桥改造工程(200吨)等多座桥梁。项目发表论文14篇(SCI占8篇，EI占3篇)；获授权发明专利2项、实用新型专利1项。以项目研究成果为支撑，项目主持人获广东省科技进步二等奖1项。