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。     

正交异性钢桥面板疲劳问题的研究

疲劳将会使钢桥的使用寿命大大缩短,因而在设计、制造、架设及后期维护中需要时刻关注钢桥在细部构造中可能出现的疲劳问题。采用ANSYS大型通用有限元软件对钢箱梁正交异性钢桥面板进行了数值模拟,研究了横隔板与U肋焊缝交叉处的应力状态。结果表明:横隔板厚度对应力的影响显著,对疲劳裂纹的产生也有较大的影响。     

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。     

正交异性钢桥面板足尺模型疲劳试验

20世纪90年代后,正交异性钢桥面板在我国斜拉桥、悬索桥等大跨公路桥梁建设中得到广泛的应用。然而,由于受设计、制造水平所限以及越来越大的交通荷载影响,多座钢桥在运营10年左右即出现了较严重的正交异性钢桥面板疲劳病害,大大影响了钢桥的安全性及耐久性。为此开展正交异性钢桥面板足尺模型疲劳试验研究,模型纵向为1.0m+3.5m+1.0m的三跨结构,横向宽度3.0m,包括5个U型纵肋。模型所采用的结构形式、制造工艺、边界条件反映了我国大跨钢桥常用的扁平钢箱梁使用现状,另外在U肋-横梁交叉处采用几种新型构造。试验总计完成600万次常幅疲劳加载,试验结束时在U肋嵌补段对接接头处发现肉眼可见的疲劳裂纹。以测点应力突变作为疲劳敏感部位疲劳失效的准则,采用距离焊趾10mm处的测点应力作为参考应力,U肋嵌补段对接接头、与U肋焊接处的顶板疲劳强度等级均相当于欧洲规范Eurocode中的71类细节。     

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。     

钢箱梁新型构造对横隔板弧形缺口部位疲劳应力影响研究

根据国内外钢箱梁的设计经验,选取3种不同的横隔板优化结构形式,通过有限元方法建立钢桥面板的空间有限元模型,计算U肋与横隔板连接焊缝末端和横隔板弧形缺口2种构造细节在车轮荷载作用下的应力幅值,得出不同横隔板优化结构形式对横隔板弧形缺口部位疲劳应力的影响。研究结果表明:设置横隔板间小横肋可有效降低两处构造细节的应力幅,但该优化结构对横隔板弧形缺口细节的影响较U肋与横隔板连接焊缝末端细节小;设置内隔板后两处构造细节的应力幅均有所下降,其中采用内隔板上缘距桥面板顶板20 mm、下缘距U肋与横隔板焊接末端20 mm的设计形式效果最佳;设置弧形缺口加劲肋对焊缝末端和弧形缺口两处构造细节的应力幅均有较大影响,减小了构造细节发生疲劳开裂的可能性。     

正交异性钢桥面板U形肋与横隔板连接处弧形缺口几何参数优化研究

纵肋与横肋交叉连接处弧形缺口的疲劳裂纹是钢箱梁正交异性钢桥面板最典型的疲劳裂纹之一。该部位受力复杂,欧洲、日本和美国规范基于不同的侧重点,针对该构造细节的设计建议差别较大。通过精细化的有限元计算,对钢箱梁正交异性钢桥面板U形肋与横隔板交叉连接部位横隔板腹板上弧形缺口的形状、弧形缺口高度等进行参数分析,比较横隔板腹板上弧形缺口构造细节的合理性,选定最优设计几何参数。     

正交异性钢桥面板受力特征研究

论述正交异性钢桥面板的结构受力特点,对易出现裂纹的构造受力情况进行分析。通过ANSYS有限元软件,分别对公路正交异性桥面和铁路正交异性桥面建立模型,在移动荷载作用下,对桥面的竖向变形、横隔板部位的面外变形,以及U肋与腹板交叉部位构造的应力变化规律进行分析。研究结果表明:弧形缺口处面外和面内的变形、U肋与面板、U肋与横隔板交叉焊缝的起焊点和弧形缺口部位的最小净截面处的应力是引起正交异性板疲劳的主要因素,其主要受相邻2个横隔板范围内荷载的影响;荷载在桥宽方向只影响与其相邻(左右两侧)的两个U肋的肋角应力。     

新型镦边U肋正交异性钢桥面板疲劳设计参数研究

传统正交异性钢桥面板疲劳问题突出,为提高其疲劳性能,对传统桥面板的细节设计进行改进,提出新型镦边U肋钢桥面板结构;通过建立基于BP神经网络的多目标优化模型进行该新型疲劳细节的优化设计,最终确定合理的构造细节。研究表明:所提出的新型镦边U肋正交异性钢桥面板,显著降低了顶板与U肋间焊缝的局部应力集中程度,该细节处疲劳性能得到明显改善,从细节优化角度为改善正交异性钢桥面板此处疲劳细节的疲劳性能提供了较好的解决方案,是具有良好发展前景的构造细节。     

不锈钢复合钢板在铁路钢桥上的应用技术

我国高速铁路钢桥均采用正交异性板钢桥面有碴线路。为提高钢桥面的防腐与使用寿命,合肥铁路枢纽南环线钢桁梁的桥面板采用了具有较高的强度、塑性、韧性、疲劳性能及优良抗腐蚀性能的321-Q345q-D不锈钢复合钢板。针对钢桥面系结构设计特点及制作与安装工艺需要,依据TB10212-2009《铁路钢桥制造规范》、GB/T13148-2008《不锈钢复合钢板焊接技术要求》,对321-Q345q-D不锈钢复合钢板进行焊接工艺试验,其试验结果(数据)均满足设计与施工要求。经对不锈钢复合钢板的钢桥面制作与安装实践,对铁路钢桥推广应用不锈钢复合钢板提出改进建议。     

正交异性钢桥面板的疲劳研究综述

正交异性钢桥面板是国内外大中跨径桥梁普遍采用的桥面结构形式,由于直接承受车轮荷载的反复作用,疲劳问题非常突出。详细阐述正交异性钢桥面板细节构造的疲劳研究概况和相关结论,简述钢桥面板的疲劳评估方法,并对正交异性钢桥面板的疲劳研究进行展望和建议。     

正交异性钢桥面铺装层疲劳寿命的断裂力学分析

计算和分析正交异性钢桥面铺装层表面裂缝应力强度因子,在此基础上应用Paris扩展公式预测铺装层疲劳寿命。将奇异单元布置在铺装层表面裂缝前沿,建立正交异性钢桥面系三维断裂力学有限元模型,计算铺装层表面裂缝的应力强度因子;分析裂缝应力强度因子随轴载作用位置的变化规律,确定了带裂缝铺装层轴载作用的最不利荷位;以最不利荷位作为轴载作用的标准荷位,计算应力强度因子随裂缝扩展深度的变化,并数值拟合得到了应力强度因子与裂缝深度的关系式;将应力强度因子的深度关系式代入Paris公式,积分得到铺装层的疲劳寿命。计算结果表明,基于钢桥面铺装层带裂缝工作的事实,应用断裂力学方法预测钢桥面铺装层疲劳寿命是可行的。     

病险水库加固改造中再生材料的应用

以工程实例为依托,归纳了病险水库加固改造的特点以及病险水库常见的质量问题与加固措施,说明了病险水库加固改造中产生的建筑垃圾再生利用的设计原则和技术措施,从而达到保护环境和降低工程费用的目的。     

钢桥面铺装国内外研究现状

详细介绍了正交异性钢桥面板桥梁及钢桥面铺装技术在我国的应用和发展历程,阐述了国外关于钢桥面铺装技术的研究成果及特点,总结归纳了浇筑式沥青混凝土铺装层和环氧沥青混凝土铺装层的优缺点,以期指导钢桥面铺装施工。     

大跨径钢桥面铺装体系多目标优化设计

将大跨径钢桥的正交异性钢桥面和其上的铺装层作为钢桥面铺装体系整体进行多目标优化设计。取大跨径钢桥面铺装体系造价及铺装层表面极限应力最小化两类指标构造目标函数,在此基础上建立多目标优化设计的数学模型。采用评价函数中的线性加权和法进行求解,开发了钢桥面铺装体系结构多目标优化设计程序,以国内某大跨径钢桥为对象,采用多目标优化设计方法,给出钢桥面铺装体系中各参数的合理界限。应用国际通用有限元软件SPA93程序对其进行验证,结果表明,应用多目标优化设计方法对大跨径钢桥面铺装体系设计是可行的。研究成果可为大跨径钢桥面铺装体系结构的设计提供理论依据。     

正交异性钢桥面板疲劳裂纹的维修加固方法

正交异性钢桥面板的疲劳裂纹是既有钢桥的常见病害,其维修加固难于新桥建设,必须遵守耐久性等基本原则。钢桥面板的维修加固方法分为三类:第一类是改进铺装层结构,减小整个钢桥面板所有部位的应力;第二类是局部补强或者改进纵向加劲肋的构造;第三类是直接对发生疲劳裂纹的局部进行维修。如果疲劳裂纹比较严重,如纵向加劲肋与横肋之间的连接失效、或者纵向加劲肋与面板的连接焊缝处裂纹向上贯穿面板等,则需要同时采用第一类和第三类加固方法。     

Fatigue life estimates for a slender orthotropic steel deck

Fatigue cracks in several types of welded joints and geometrical details have been reported to occur in a large number of slender orthotropic decks of existing steel bridges in many parts of the world. Some of these cracks are initiated very early, a few years after the bridge is brought into service. That is why it is said that fatigue life estimation for the welded joints of orthotropic decks is not an easy designing task. This is so because the random variation of local stresses is sensitive to many factors, in particular to those involved in the dynamic interaction between the vehicle’s tyres, the pavement and the steel structure.This paper presents and discusses the main causes for the observed cracks and the outcome of the ultimate fatigue life estimates for typical welded and geometrical details of a slender orthotropic deck with trapezoidal cross-section longitudinal ribs. This is the deck of an existing long-span steel bridge, which has been strengthened by adding a reinforced concrete layer fixed with shear studs to the steel deck top plate. This was done to avoid continued and extensive repair work and to enhance the fatigue life expectancy of the steel deck structure. The fatigue life estimation is done with the aid of refined numerical modelling and in situ experimental strain measurements and also by taking into account all the built-in structural alterations, changes in volume of traffic and in vehicles loading which have occurred during this bridge’s 32 years of service life.     

Inelastic behavior of orthotropic steel deck stiffened by U-shaped stiffeners

Owing to its high strength and stiffness, the orthotropic steel deck system has been widely used in the construction of long-span steel bridges. However, due to esthetic and economic considerations, slender types of orthotropic bridge have become very popular in recent years. Consequently, the stability of the orthotropic steel deck system under traffic load becomes more critical. Although the instability problem of the orthotropic steel deck system due to flexural compressive stress has been recognized for years, current bridge design specifications do not clearly specify the criteria to prevent local buckling of the orthotropic deck system. Most previous studies on orthotropic steel deck systems were focused on the out-of-plane behavior of the steel deck, and limited study has been carried out on the in-plane compressive behavior of the orthotropic steel deck system. There is a lack of knowledge on the inelastic behavior of the orthotropic steel deck system under flexural compressive stress. In this study, the inelastic behavior of 30 full-scale orthotropic steel deck specimens was examined. According to this study, it is found that the current design practice may lead to local buckling of the deck system. Based on this study, criteria are proposed for the requirement of compact and non-compact sections. Design guidelines for the inelastic ultimate strength of the steel deck system are also suggested.