正交异性钢桥面板结构体系的疲劳破坏模式和抗力评估

正交异性钢桥面板的疲劳问题属于包含多疲劳破坏模式的结构体系疲劳问题。基于这一本质特性,以典型的正交异性钢桥面板结构体系为研究对象,由结构体系的主导疲劳破坏模式出发,提出正交异性钢桥面板结构体系疲劳抗力评估的新方法。以纵肋与顶板焊接细节和纵肋与横隔板交叉构造细节为主要研究对象,设计8个足尺节段模型,主要包括传统纵肋与顶板焊接细节、新型镦边纵肋与顶板焊接细节和纵肋与横隔板交叉构造细节,通过模型试验研究了两类重要构造细节的主导疲劳破坏模式和实际疲劳抗力,在此基础上结合切口应力评估方法探讨正交异性钢桥面板构造细节切口应力S-N曲线方程、结构体系的主导疲劳破坏模式等关键问题。研究结果表明：传统纵肋与顶板焊接细节和新型镦边纵肋与顶板焊接细节的主导疲劳破坏模式均为疲劳裂纹萌生于焊根并沿顶板厚度方向扩展,二者的实际疲劳抗力基本相同;纵肋与横隔板交叉构造细节的疲劳破坏模式为焊趾开裂沿纵肋腹板方向扩展;对于研究对象而言,萌生于纵肋与顶板焊接细节焊根并沿顶板厚度方向扩展的疲劳破坏模式为控制结构体系疲劳抗力的主导疲劳破坏模式。     

钢桥面板顶板与U肋接头疲劳效应分析

针对钢桥面板顶板与U肋焊接接头,开展疲劳应力有限元分析,研究该构造细部的疲劳效应,为钢桥面板抗疲劳设计与维护提供参考。建立了钢桥面板板壳单元模型,以焊趾处热点应力为指标,分析过焊孔对接头受力影响以及轮载作用下顶板应力历程及应力幅值。结果表明,板壳单元有限元模型局部细化网格尺寸不超过1.0倍顶板厚度,可得出稳定的热点应力计算值。过焊孔的设置削弱了横隔板对顶板的支撑作用,使过焊孔区域顶板应力有所增大。不设置过焊孔时,接头处由于存在较大几何与刚度突变,应力集中更加明显。热点应力对轮载的横向位置比较敏感。轮载在纵桥向与横桥向的应力影响范围都比较小,可忽略车轴、轮重及车辆间的应力叠加效应。     

大尺寸纵肋顶板-U肋构造细节的受力分析

为研究正交异性钢桥面板横隔板无外切口大尺寸U肋-顶板焊接构造细节的疲劳性能,建立有限元模型,计算得到该构造细节在轮载作用下的应力随轮载位置变化的规律和相应应力幅,并与传统尺寸正交异性钢桥面板的受力情况进行对比。研究表明:大尺寸U肋正交异性钢桥面板的应力影响线较长,受力性能与传统正交异性钢桥面板有差别;当轮载作用在U肋上方面板的面积越多时,构造细节的应力越大;构造细节面板处的面外弯曲应力较大,而U肋腹板处的面外应力很小。     

深圳至中山跨江通道钢桥面板结构疲劳试验研究

正交异性钢桥面板的疲劳开裂问题是制约桥梁工程可持续发展的关键难题,亟需发展具有高疲劳抗力特性的正交异性钢桥面板结构。依托深圳至中山跨江通道项目,在钢桥面板结构中同时引入纵肋与顶板新型双面焊构造细节和纵肋与横隔板新型交叉构造细节两类构造细节,设计9个足尺节段模型,通过模型试验确定了纵肋与顶板传统单面焊构造细节和新型双面焊构造细节、纵肋与横隔板传统交叉构造细节和新型交叉构造细节的疲劳开裂模式和实际疲劳抗力;采用扫描电子显微镜(SEM)确定了不同制造工艺条件下纵肋与顶板焊接细节的初始制造缺陷尺度;采用等效结构应力法确定了两类细节各疲劳开裂模式的疲劳抗力。研究结果表明：纵肋与顶板传统单面焊构造细节的疲劳裂纹起裂于顶板焊根并沿顶板厚度方向扩展,其疲劳抗力为95.1～98.7MPa,新型双面焊构造细节的疲劳裂纹起裂于顶板内侧焊趾并沿顶板厚度方向扩展,其疲劳抗力为108.5～123.2MPa,且在相同加载条件下,双面埋弧焊构造细节的疲劳抗力高于双面焊气体保护焊构造细节的疲劳抗力;传统单面焊构造细节焊根的初始制造缺陷尺度显著大于新型双面焊构造细节焊趾的初始制造缺陷尺度,且双面埋弧焊的初始制造缺陷尺度小于双面气体保护焊的初始制造缺陷尺度,初始制造缺陷尺度的差异是不同制造工艺条件下纵肋与顶板焊接细节疲劳抗力存在差异的主要原因;纵肋与横隔板传统交叉构造细节的疲劳裂纹起裂于纵肋腹板焊缝端部焊趾并沿纵肋腹板扩展,新型交叉构造细节的疲劳裂纹起裂于纵肋底板焊缝端部焊趾并沿纵肋底板扩展,两类构造细节的起裂次数基本一致,但新型构造细节的疲劳裂纹扩展速率远低于传统构造细节的疲劳裂纹扩展速率;纵肋与顶板焊接构造细节和纵肋与横隔板交叉构造细节各疲劳开裂模式的实际疲劳抗力基本位于主S-N曲线±2σ之间。     

不同参数组合下纵肋顶板细节疲劳开裂时焊趾关键测点应力变化分析

文章主要内容是对纵肋顶板焊接细节在不同参数组合情况下疲劳开裂对焊趾附近应力下降影响进行分析。纵肋顶板焊接细节是钢桥面板中占比较大的疲劳易损细节,且一旦疲劳开裂对结构影响较大,因此对此焊接细节进行深入的研究具有重大的工程实际意义。通过监测焊趾附近关注测点应力变化可以预测结构裂纹的发展情况,但是不同结构参数组合下变化情况可能存在差异。通过建立纵肋顶板疲劳细节的试件试验的有限元模型,通过提取中心离焊趾5 mm处测点的应力,对比不同参数下焊趾关键测点的应力下降随裂纹扩展的变化规律。通过对比发现,当取不同熔透率时,焊趾关键测点应力下降随裂纹扩展规律基本一致;取相同熔透率时,增加顶板厚度会延缓关键测点应力下降随裂纹扩展的过程。     

纵肋与横隔板新型构造细节疲劳性能研究

为提升纵肋与横隔板构造细节的疲劳性能,将横隔板在一定区域范围内与纵肋底板进行焊接连接,加强两者的协同受力,进而改善其疲劳性能,在此基础上发展了两种纵肋与横隔板新型构造细节并对其疲劳性能进行系统研究。结果表明：在纵向移动荷载作用下,纵肋与横隔板普通开孔构造细节的主导疲劳开裂模式为纵肋腹板围焊焊趾开裂并沿纵肋腹板扩展且以承受拉-拉循环应力为主;两种纵肋与横隔板新型构造细节的主导疲劳开裂模式均以承受压-压循环应力为主,其中以新型构造细节1的受力最为合理,其主导疲劳开裂模式为纵肋底板围焊端部焊趾开裂并沿纵肋底板扩展,相较于纵肋与横隔板普通开孔构造细节,其应力幅值降低约12.4%,疲劳性能得到有效提升。     

UHPC层对纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹加固效果研究

钢桥面板纵肋与顶板焊接细节是疲劳开裂最为严重的部位之一,为探究UHPC层对纵肋与顶板焊接细节的加固效果,文章采用数值模拟的方法分别研究了引入UHPC层前后不同尺寸裂纹关注点的应力强度因子幅值,研究结果表明:起裂于顶板焊根及顶板焊趾往顶板厚度方向扩展的疲劳裂纹均为I型为主的疲劳裂纹,其中,焊根裂纹较焊趾裂纹具有更强的扩展能力;采用UHPC层加固后,各尺寸疲劳裂纹关注点应力强度因子幅值ΔK_(eff)降幅均在50%以上,表明该加固方法能够较为有效地抑制疲劳裂纹的扩展;当表面裂纹长度较短时,可以不做处理,但当焊趾裂纹超过42 mm,焊根裂纹34 mm,应结合其他加固方式进行加固处理。     

钢箱梁桥面板第三体系下参数化分析

本文以某钢箱梁的正交异性板第三结构体系为研究对象,采用Midas-FEA建立有限元模型。以U肋间距、U肋厚度及顶板厚度为变量参数,对比分析不同参数下的结构受力行为。研究表明:在U肋间距不变情况下,增加桥面板厚度、U肋厚度能降低桥面板在第三体系下的挠曲变形。在桥面板厚度与U肋厚度不变情况下,当U肋壁间距与U肋开口宽度一致时,桥面板挠曲变形最小。对于城-A车辆的轮载,当U肋开口为300mm时,U肋间距宜采用600mm。     

对正交异性钢桥面板构造抗疲劳设计方法的分析

国内近年来正交异性整体钢桥面体系不仅在公路钢桥,而且在铁路钢桥上得到大量的应用。首先介绍国内对正交异性钢桥面板应用的总体情况,包括还在建造和设计中的一些新桥。对正交异性钢桥面板疲劳构造细节进行分析,重点分析疲劳裂纹易发生部位和形成的原因。根据分析结果,设计出经简化且能包络实际受力最不利状态的试件进行疲劳试验。所涉及的构造细节包括桥梁实际工艺下的U肋与桥面板焊缝、U肋与横隔板之间有过焊孔和没有过焊孔时横隔板与桥面板焊缝、U肋嵌补段焊缝、U肋与横隔板之间挖孔焊缝,共计有6个构造细节。提出采用准热点应力统计方法确定正交异性钢桥面板构造细节名义应力的观点,对制定抗疲劳设计方法的研究技术路线作出归纳,进而提出正交异性钢桥面板疲劳设计方法的建议。     

钢桥面板顶板疲劳开裂位置检测的K值判断方法研究

在对钢桥面板顶板焊缝疲劳开裂特征进行分析的基础上,针对顶板方向开裂的3种特征类似、位置接近的裂纹判断困难的问题,提出一种疲劳裂纹位置K值(焊趾到裂纹的水平距离)判断方法。通过超声波回波信号及相关参数,比较K值与焊脚尺寸大小,可以对顶板内部裂纹的开裂位置进行判断。考虑U肋板厚及倾斜角度、裂纹深度、裂纹位置、裂纹形态等因素,制作10个人工切割的裂纹试件与3个疲劳试件,通过超声波检测对K值法判断结果进行了验证。试验验证结果表明:K值检测判断顶板开裂位置具有较好的精度,该方法在钢桥面板顶板疲劳开裂位置检测判断中应用可行。     

设内隔板正交异性钢桥面板足尺模型疲劳试验

针对U肋内侧增设内隔板的构造形式,开展正交异性钢桥面板足尺模型的静力及疲劳试验,分析内隔板对正交异性钢桥面板连接细节的力学性能及疲劳强度的改善。试验结果表明:内隔板对U肋与横隔板开孔根部连接位置的应力集中改善明显,对其他易发生疲劳破坏的连接细节应力水平亦有所改善,静力分析数值模型计算结果与静力试验结果吻合;常幅疲劳加载至230万次时,在U肋腹板位置发现3条明显的顺桥向裂纹,以距离焊趾10 mm位置的测点应力下降作为判断疲劳破坏的依据,无内隔板U肋腹板连接处疲劳强度高于Eurocode 3和AASHTO所规定的疲劳强度,而受焊接初始缺陷的影响,增加内隔板后U肋腹板连接处疲劳强度高于Eurocode 3而低于AASHTO中所规定的疲劳强度;U肋与横隔板开孔根部的焊缝质量对疲劳裂纹的产生和发展影响显著。     

基于断裂力学的钢桥面板纵肋顶板焊接细节疲劳性能对比研究

正交异性钢桥面板纵肋顶板传统单面焊焊接细节疲劳危害突出,文章采用新型双面焊焊接细节是提高其疲劳抗力的有效措施之一。针对纵肋顶板两类焊接细节,基于断裂力学评估方法,采用ANSYS有限元软件,分别在其主导疲劳失效模式裂纹萌生点位置引入初始裂纹,对其疲劳性能进行了深入系统的对比研究,结果表明:钢桥面板纵肋顶板单面焊和双面焊焊接细节疲劳裂纹扩展模式均为I型为主的复合型裂纹扩展模式,两类焊接细节I型和III型裂纹扩展规律基本一致,但II型裂纹扩展特性存在显著差异;在标准疲劳车最不利荷载工况作用下,纵肋顶板单面焊和双面焊焊接细节疲劳寿命分别为739.0×104次和1 075.3×104次,双面焊焊接细节疲劳寿命约提高了1.46倍,其疲劳性能更优。     

基于多失效模式损伤度相容的钢桥面板抗疲劳设计方法

疲劳荷载是决定正交异性钢桥面板疲劳寿命的外因,重载条件下钢桥面板的短寿问题尤为突出。多构造细节和多疲劳失效模式是钢桥面板疲劳问题的基本属性,其疲劳性能由构造细节疲劳寿命最短的疲劳失效模式决定。考虑剪切结构应力的疲劳寿命效应,基于疲劳裂纹扩展速率与疲劳寿命间的相关关系规律,提出了同时适用于钢桥面板多构造细节和多失效模式疲劳性能评估的广义等效结构应力法,实现了相关构造细节和失效模式疲劳抗力指标的统一表征;进而以构造细节为单位,将钢桥面板结构划分为多级子系统,提出了疲劳损伤累积相容性指标,建立了基于多失效模式损伤度相容的钢桥面板抗疲劳设计方法;在此基础上以有效延长重载条件下钢桥面板的疲劳寿命为主要目标,对三类钢桥面板结构的疲劳性能进行了理论分析和疲劳试验研究。研究结果表明：所提出的广义等效结构应力法适用于钢桥面板各构造细节及其相关失效模式的疲劳性能评估,通过所提出的方法能够准确确定钢桥面板的主导疲劳失效模式;所提出的基于多失效模式损伤度相容的钢桥面板抗疲劳设计方法,可为有效提高钢桥面板的疲劳寿命提供科学依据。     

轻型组合桥面板的疲劳性能研究

疲劳性能是钢桥面板设计的主要关注点,为研究轻型组合桥面板的疲劳性能,以广东虎门大桥为背景,建立局部有限元模型,利用热点应力法,对不同厚度超高性能混凝土(UHPC)层情形下,钢桥面典型易疲劳开裂细节,进行应力幅计算。然后,对采用45mm厚UHPC层的轻型组合桥面板进行UHPC层及栓钉应力(剪力)分析,并依据前人和二次疲劳足尺模型试验对UHPC层的抗弯拉疲劳性能进行评价。研究结果表明:轻型组合桥面板中UHPC层对于钢面板与纵肋连接细节,应力幅改善作用很大,而对其余细节,其改善程度相对较小;采用45mm厚UHPC层时,前者应力降幅高达51%~82%,后者降幅为21%~28%;面板与纵肋连接细节、纵肋对接细节及横隔板弧形切口细节的疲劳开裂风险可完全消除;UHPC层峰值拉应力为11.91MPa,两次疲劳试验表明其抗弯拉疲劳性能远超虎门大桥的要求。     

钢桥面顶板与纵肋焊接细节典型疲劳裂纹三维扩展数值模拟

钢桥面顶板与纵肋焊接细节是正交异性钢桥面板主要疲劳易损细节之一,文章基于线弹性断裂力学原理,对钢桥面顶板与纵肋焊接细节典型疲劳裂纹三维扩展进行数值模拟。研究结果表明:典型疲劳裂纹应力强度因子及扩展速率为Ⅰ型裂纹为主导;Ⅱ、Ⅲ型裂纹对裂纹面的三维形态有较大影响,分析过程中应加以考虑;顶板与纵肋焊接细节焊根部位疲劳性能相对于焊趾部位较差,应在抗疲劳设计中引起重视。     

正交异性钢桥面板不同闭口纵肋疲劳寿命分析

正交异性钢桥面板闭口肋常用截面形式有U形截面、V形截面。为研究两种不同闭口肋的疲劳细节,使用ANSYS有限元分析软件建立三维局部有限元模型。通过对各疲劳细节影响面进行加载,最终得到50 a损伤度。通过计算结果对比分析,得知相同尺寸下,U形截面常见疲劳细节的受力优于V形截面,疲劳寿命大于V形截面。     

钢桥面板顶板-U肋焊缝开裂钢板补强维护效果研究

建立不同补强钢板厚度、宽度的分析模型,绘制焊根、焊趾应力分布曲线,分析不同补强钢板尺寸对裂纹尖端应力的影响。在此基础上,对比钢板补强试件模型(补强钢板厚度、宽度分别为10,300 mm)的开裂试件模型、未开裂试件模型的焊根应力分布情况,并结合相同几何参数的钢板补强试件的疲劳试验结果,从裂纹尖端应力变化、裂纹扩展速率、疲劳寿命等角度,对钢板补强维护效果进行评价。研究结果表明:裂纹尖端应力受补强钢板厚度影响较小,考虑到常见的顶板厚度与U肋厚度,在实际应用中可取补强钢板厚度为10 mm;补强钢板边缘对应的焊根、焊趾位置无应力突变现象;补强钢板宽度为3倍裂纹长度时,裂纹尖端应力下降约18%;在焊趾设置补强钢板可明显提升裂纹扩展寿命,与有限元分析结果一致。     

钢桥面板顶板-纵肋双面焊的焊接残余应力分析与统一分布模型

通过有限元软件建立钢桥面板顶板-纵肋双面焊焊接节点模型,对双面焊焊接残余应力进行了数值模拟,得到其残余应力分布图,并分析双面焊焊接残余应力随板件厚度的变化规律。分析结果表明,双面焊横向残余应力在焊缝侧顶板表面的外侧焊缝焊趾处达到最大值250 MPa;纵向残余应力在焊缝侧顶板表面的内侧焊缝焊根处达到最大值445 MPa,已超过材料的屈服强度。横向残余应力在不同板件厚度下差别较大,顶板厚度为12 mm时的横向残余应力比顶板厚度为20 mm时小40%;而纵向残余应力变化不明显。通过分析模拟结果,建立了双面焊焊接残余应力统一分布模型,有助于进一步研究双面焊钢桥面板疲劳性能。     

纵向弯曲作用下UHPC加固钢桥面板焊接节点疲劳性能研究

针对正交异性钢桥面板容易发生疲劳开裂的问题,对超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)加固正交异性钢桥面板开展疲劳试验研究,得到了典型U肋-盖板-横隔板(RDF)焊接节点的热点应力、疲劳寿命、裂纹扩展以及刚度退化等关键性能指标。结果表明,与RDF裸板试件相比,UHPC加固试件关键区域热点应力水平显著降低,试件刚度退化速度明显减缓,试件疲劳承载力提高。     

UHPC提升钢桥面板纵肋-横隔板连接疲劳性能研究

文章采用有限元方法分析了钢桥面板纵肋-横隔板连接四个典型构造细节在有无UHPC铺装情况下的轮载应力响应,并对比UHPC铺装层对其疲劳性能的提升效果。研究结果表明,在无刚性铺装情况下,构造细节H、HD、LS和LZ的最不利应力分别为-82.1 MPa、28.3 MPa、43.3 MPa和-42.9 MPa;在采用50 mm厚UHPC铺装后,构造细节H、HD、LS和LZ的最不利应力分别下降为-45.6 MPa、13.0 MPa、14.7 MPa和-12.0 MPa;UHPC铺装层对钢桥面板纵肋-横隔板连接各构造细节的疲劳性能提升明显,其中构造细节LZ的疲劳寿命提升高达45.4倍。