《大跨度钢桥正交异性钢桥面板设计参数和工程应用》

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正交异性钢桥面板(简称钢桥面板)由相互垂直交叉焊接在一起的面板、纵肋和横肋组成,具有自重轻、极限承载力高、整体性好、能参与主梁共同工作等优点,是大跨度钢桥常用桥面系结构形式。随着社会经济的快速发展,交通流量急剧增加,汽车轴重不断增大,钢桥面板的疲劳问题日益突出,一些桥梁服役不久,钢桥面板就产生了不同程度的疲劳裂纹,直接影响桥梁结构安全和行车安全。钢桥面板的疲劳裂纹与其几何尺寸等设计参数、构造细节的处理和制造工艺密切相关,优化钢桥面板的设计参数、研究改善构造细节的设计并制定合理的制造工艺,从而避免钢桥面板产生疲劳裂纹,是大跨度钢桥健康发展需要解决的关键技术问题。

该项目在国家科技支撑计划和10多座大跨度钢桥建设专项科研资金支持下,历经10余载,通过精细化的有限元理论分析、足尺模型试验、以及实桥测试,全面系统研究了钢桥面板的受力特性和计算方法、设计参数、不同构造细节的疲劳性能及其加固方法、制造和安装工艺等技术难题,取得了5项创新成果:(1)通过涵盖钢桥面板10余种构造细节的300多个足尺小试件模型的疲劳试验,系统研究了钢桥面板多种疲劳敏感构造细节的疲劳性能,首次系统提出了钢桥面板的维修加固策略;(2)首次提出采用两点反相和三点异相加载模拟汽车轮载通过钢桥面板的疲劳试验方法,对近10个足尺大试件模型进行了试验;(3)研究提出了钢桥面板的多级子模型有限元分析方法,以及疲劳敏感部位及其主要原因;(4)研究了钢桥面板各设计参数之间的合理匹配,对多目标参数进行了优化研究,并基于断裂力学最大能量释放率准则,提出了预测钢桥面板疲劳裂纹扩展寿命的方法;(5)对大跨度公路和铁路钢桥面板进行了静动载试验,提出了公路和铁路钢桥面板的应力谱。

该研究成果处于国际先进水平,部分成果已纳入《铁路桥梁钢结构设计规范》,为中国公路钢结构桥梁设计规范的修订提供了科学支撑,完成研究报告10余册,国家授权专利6项,其中发明专利2项,在SCI、EI检索的期刊、中文核心期刊和国际学术会议上发表学术论文近30篇,培养博士和硕士研究生10名。研究成果先后应用于西堠门大桥、鹅公岩轨道专用桥、宜宾临港长江大桥、虎门二桥等近20座大跨度钢桥,特别是北京地区跨径最大、桥面最宽的永定河特大桥,不仅能有效减小钢桥面板出现疲劳裂纹的概率,节省维修加固费用,而且能促进包括首都地区的交通建设发展,从而具有重大的社会和经济效益。

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