高性能鋼橋受力性能試驗(yàn)與設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、與傳統(tǒng)橋梁用鋼相比，高性能鋼（HPS）在強(qiáng)度、可焊性、斷裂韌性和耐候性等方面都有很大的改善，這些優(yōu)越的材料特性實(shí)現(xiàn)了高性能鋼橋的經(jīng)濟(jì)高效和低碳環(huán)保，是一種新型橋梁結(jié)構(gòu)用鋼。迄今為止，諸多發(fā)達(dá)國家不僅重視高性能鋼材的研發(fā)，而且致力于高性能鋼橋的研究與工程建設(shè)。這些使用中的高性能鋼橋體現(xiàn)了良好的結(jié)構(gòu)性能和全壽命經(jīng)濟(jì)性。目前，我國已致力于高性能鋼的研發(fā)，并研發(fā)出多種高性能橋梁用鋼產(chǎn)品，但名義屈服強(qiáng)度超過420MPa以上的高性能鋼材尚未納入我國

2、的公路鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范。為了推動(dòng)高性能鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范的建立，推廣高性能鋼橋在我國的安全建設(shè)，本文以我國國產(chǎn)高性能鋼HPS485W（名義屈服強(qiáng)度為485MPa）為研究對(duì)象，以鋼橋的三種典型失效形態(tài)（屈服、疲勞斷裂和失穩(wěn)）為切入點(diǎn)，從防斷裂設(shè)計(jì)、抗疲勞設(shè)計(jì)、加工制造工藝、結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和穩(wěn)定設(shè)計(jì)等方面對(duì)高性能鋼橋展開研究：
　　（1）從防斷裂設(shè)計(jì)角度，對(duì)HPS485W展開系列斷裂韌性試驗(yàn)研究，包括夏比沖擊韌性（CVN）試驗(yàn)、延性斷裂韌度（J

3、IC）試驗(yàn)、裂紋尖端張開位移（CTOD）試驗(yàn)，為高性能鋼橋的安全評(píng)定和防斷裂設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明HPS485W具有較高的斷裂韌性，HPS485W的韌脆轉(zhuǎn)變溫度較傳統(tǒng)橋梁鋼Q345更低，可應(yīng)用于嚴(yán)寒地區(qū)的結(jié)構(gòu)物，HPS485W的母材斷裂韌性（CTOD）屬于BS7910《金屬結(jié)構(gòu)缺陷可接受性評(píng)定方法指南》失效評(píng)定曲線的合格范圍。
　?。?）從高性能鋼橋的抗疲勞設(shè)計(jì)與壽命預(yù)測角度，對(duì)HPS485W母材及典型焊接接頭分別展開抗

4、疲勞性能試驗(yàn)研究。對(duì)7.5mm、12.5mm和19.5mm的HPS485W母材分別在應(yīng)力比R=0.1、0.5和0.8的疲勞荷載下進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展速率（da/dN）試驗(yàn)，并測定了19.5mm厚高性能鋼試樣的門檻值，采用Paris公式確定了HPS485W的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，研究結(jié)果表明高性能鋼母材具有更優(yōu)越的耐受疲勞裂紋擴(kuò)展能力；對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)中典型的焊接接頭展開疲勞試驗(yàn)研究，探討高性能鋼HPS485W焊接構(gòu)件的高周疲勞損傷破壞過程及其特征，確

5、定了HPS485W對(duì)接焊接頭的疲勞等級(jí)。
　　（3）在高性能鋼橋的制造工藝方面，開展高性能鋼焊接工藝評(píng)定的系列試驗(yàn)研究，包括焊縫X射線探傷、對(duì)接接頭拉伸試驗(yàn)、對(duì)接焊縫側(cè)彎試驗(yàn)、T型接頭抗彎試驗(yàn)、對(duì)接焊縫及熱影響區(qū)的沖擊韌性試驗(yàn)，評(píng)估了高性能鋼的焊縫質(zhì)量，確定了焊接工藝，為高性能鋼橋的制造提供參考。
　　（4）從試驗(yàn)驗(yàn)證、數(shù)值計(jì)算和理論分析三方面進(jìn)行高性能鋼梁的抗彎性能研究。完成了12片高性能鋼簡支工字鋼梁的抗彎試驗(yàn)研究，分析

6、了試驗(yàn)梁的抗彎承載力、彈塑性變形、試驗(yàn)梁失效模式和局部屈曲位置，獲得了高性能鋼抗彎鋼梁的彈塑性受力特征；采用有限元程序 ANSYS，考慮材料本構(gòu)關(guān)系、側(cè)向約束條件、殘余應(yīng)力、網(wǎng)格密度、初始幾何缺陷等因素的影響，建立能夠有效模擬試驗(yàn)梁抗彎過程和破壞形態(tài)的有限元模型，通過參數(shù)分析提出高性能鋼梁的設(shè)計(jì)建議；對(duì)高性能鋼梁進(jìn)行翼緣和腹板的局部屈曲分析及整體側(cè)傾失穩(wěn)分析，提出高性能鋼梁的強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)和變形控制指標(biāo)，提出高性能鋼梁的截面設(shè)計(jì)限值公式與

7、側(cè)向約束設(shè)計(jì)建議。
　?。?）對(duì)高性能鋼工字鋼梁的腹板抗剪性能進(jìn)行了理論研究、有限元參數(shù)分析及初步的試驗(yàn)研究，分析了高性能鋼梁的抗剪承載能力計(jì)算方法，明確了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)高性能鋼梁腹板剪切屈曲和抗剪極限承載能力的影響規(guī)律，提出高性能鋼梁抗剪設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)建議。
　?。?）基于本文研究成果，歸納提出高性能鋼橋的設(shè)計(jì)指南與設(shè)計(jì)建議。在相同的工程背景，提出高性能鋼板梁橋與普通鋼板梁橋的方案設(shè)計(jì)，總結(jié)高性能鋼板梁橋的工程優(yōu)越性，為高性能鋼橋