U肋带内隔板钢桥面疲劳性能研究

针对正交异性铁路钢桥面构造细节,开展U肋钢桥面疲劳性能研究,进行了两个足尺钢桥面构件的静载和高周疲劳承载试验,其中试件DECK1纵肋无内隔板,试件DECK2在横梁腹板处纵肋内设置内隔板.试验研究结果表明:纵肋内隔板可有效改善纵肋腹板和横梁帽孔细节部位的受力,提高钢桥面的疲劳强度;与横梁帽孔交汇处的纵肋腹板为疲劳裂纹易发处,两个构件均在此处出现水平向疲劳裂纹;采用有限元计算模型,分析研究了纵肋内增加内隔板对钢桥面受力的影响,计算结果与试验结果吻合.     

正交异性钢桥面板栓焊接头疲劳性能研究

针对正交异性钢桥面板栓焊连接细节,设计制作两个足尺试验构件,进行了静载、疲劳试验,并建立了有限元计算模型.计算分析发现:纵肋螺栓接头中面外弯矩影响明显,内侧拼接板受力大于外侧;拼接板中纵向应力呈鞍状分布,两个试验构件的疲劳裂纹均在内侧拼接板的中间区域首先出现.建议栓焊接头按Eurocode中的71级或铁路桥梁钢结构设计规范中IX细节进行疲劳设计.通过有限元模拟计算,对拼接板进行优化设计,改善了栓焊接头的疲劳性能.     

钢-UHPC轻型组合桥面板实桥试验研究

钢-UHPC轻型组合桥面板是一种由正交异性桥面与密集配筋的UHPC薄层通过剪力钉连接而成的新型桥面结构.为研究UHPC层对钢-UHPC轻型组合桥面结构性能的影响,以枫溪大桥为工程背景,研究正交异性钢桥面常见疲劳细节在铺设UHPC层前、后的应力幅变化.首先通过整体有限元模型确定测点位置以及加载范围,然后根据加载方案分别在铺设UHPC层前后采用三轴加载车进行低速加载试验,同时采集并整理正交异性钢桥面常见疲劳细节应力响应试验数据,最后建立了节段有限元模型并与实测结果进行对比分析.试验结果表明:铺设UHPC层后,常见疲劳细节应力响应均有明显降低,其中面板上的细节(纵肋-面板焊缝、面板对接焊缝、面板-横隔板-纵肋交叉焊缝面板位置)应力幅降幅比例最大,高达75%～90%;其次为纵肋上疲劳细节(纵肋底部对接焊缝、纵肋-横隔板焊缝焊缝端部位置、面板-横隔板-纵肋交叉焊缝纵肋位置)应力降幅约为65%～80%;最后为横隔板上疲劳细节(横隔板弧形切口、横隔板弧形切口起点位置、面板-横隔板-纵肋交叉焊缝横隔板位置)应力降幅约为20%～50%.同时,随疲劳细节与顶面距离的减小,UHPC层对细节应力降幅的贡献明显增大.有限元模型结果与实测结果吻合较好,也得出了相似的规律.本文实测结果为推广钢-UHPC轻型组合桥面的应用提供了最直接的数据参考.     

基于热点应力的钢桥面典型构造细节疲劳分析

正交异性钢桥面具有轻质、高性能、施工便捷等应用优势,但其构造复杂且多采用焊接工艺,在反复交变车辆轮载作用下疲劳开裂问题突出。其中,顶板与纵肋连接焊缝(简称顶板-纵肋焊缝)和纵肋与橫肋连接焊缝(简称纵肋-橫肋焊缝)是两类最突出和最具代表性的构造细节。本文采用名义应力法和三种常用热点应力法,在充分考虑交通量对荷载修正的基础上,对上述两类钢桥面典型构造细节开展了精细化有限元分析,确定疲劳应力幅,并进行疲劳检算。通过分析和对比各疲劳评价方法,提出适用于各类构造细节的计算方法。分析结果表明,分析顶板-纵肋构造细节和纵肋-橫肋焊趾截止处纵肋腹板竖向开裂推荐采用表面线性外推方法(Linear Surface Extropolation, LSE)方法,分析纵肋-橫肋焊趾截止处纵肋腹板横向开裂推荐采用Dong方法。研究结果可为正交异性钢桥面的评估、设计和应用提供参考。     

钢桥面板纵肋现场对焊接头的疲劳性能

对8个具有正交异性钢桥面板角钢纵肋现场对焊接头的试件进行了静力和疲劳试验研究,纵肋接头采用手工仰焊,考虑了纵肋对中偏差．试验结果表明纵肋对中偏差对接头的静力和疲劳性能有重要影响,经回归分析得到了疲劳强度曲线,为钢桥面板这类接头的疲劳设计提供了依据．     

重庆两江大桥正交异性钢桥面板疲劳性能试验研究

为评估重庆两江大桥正交异性钢桥面板双向荷载下的疲劳性能,对由盖板、板肋和横隔板组成的箱形正交异性钢桥面板模型进行疲劳试验研究和有限元分析.采用应力等效方法,板肋与横隔板交叉细节部分采用1∶1足尺模型,横隔板开孔分别采用苹果形和钥匙形,面内和面外双向疲劳加载完成正交异性板结构设计寿命期及超长服役期的等效实桥疲劳应力幅作用下2 000万次疲劳试验.有限元值和实测值较吻合.在疲劳试验基础上,讨论横隔板开孔边缘、纵肋与横隔板焊接以及纵肋与盖板焊接3个关键部位的疲劳性能.研究结果表明:双向荷载作用下横隔板产生面外弯曲变形,易导致面外疲劳;正交异性钢桥面板构造未发现裂纹,疲劳寿命远超过设计寿命期.根据欧洲规范的疲劳等级分类检算,其疲劳强度满足使用要求.     

正交异性钢桥面板纵肋现场对焊接头的疲劳性能

对八个含有正交异性钢桥面板角钢纵肋现场对接的试件进行了静力和疲劳试验研究,纵助接头采用手工仰焊,考虑了纵肋对中偏差．试验结果表明纵肋对中偏差对接头的疲劳性能有重要影响,经回归分析得到的疲劳强度曲线可达到我国钢结构设计规范GBJ17——88的第四类．正交异性钢桥面板纵肋现场对焊接头的疲劳性能@童乐为@沈祖炎     

不同参数组合下纵肋顶板焊趾处裂纹扩展变化规律分析

疲劳荷载作用下,正交异性钢桥面板纵肋顶板焊趾处易产生疲劳裂纹.通过寻找焊趾处裂纹变化规律,可以预测裂纹扩展情况,不同结构参数组合下焊趾处裂纹变化规律会存在一定差异.文章通过建立纵肋顶板焊接细节的试件有限元模型,提取焊趾处裂纹扩展长度和裂纹扩展深度,分析应力幅大小、熔透率和顶板厚度等参数对焊趾处裂纹变化规律的影响.结果表...     

UHPC加固在役大跨径悬索桥钢桥面：实桥试验与理论分析

为解决大跨径钢桥正交异性钢桥面板普遍存在的疲劳开裂且维修困难等问题，提出了一种疲劳裂缝可免修复的UHPC加固新结构. 以一座在役大跨径悬索桥为研究对象，介绍了新结构的应用背景，并对大桥原沥青铺装、裸钢桥面、钢-UHPC轻型组合结构三种桥面状态分别开展了现场试验. 基于试验结果，系统揭示了钢桥面4类典型疲劳细节的受力特性，包括应力分布规律和加固后的应力降幅，同时，对实桥建立了局部梁段有限元模型，模拟试验中的所有加载工况并进行了对比分析，发现计算得到的应力响应面与试验结果基本一致，最大误差约为10%. 研究结果表明：对于每类疲劳细节，其在纯钢桥面和原沥青铺装两种状态下的应力基本无差异，表明原沥青铺装劣化严重，无法改善钢桥面的疲劳受力状态；而对比铺设UHPC前、后，钢面板上的疲劳细节应力降幅达41%~85%，其中，钢面板-U肋焊缝细节应力降幅为85%，顶部过焊孔处细节应力降幅为44%，而横隔板与U肋交叉部位细节应力降幅为41%，表明UHPC加固薄层有效提高了钢桥面的局部抗弯刚度，从而降低了车辆荷载作用下钢桥面的应力水平. 此外，得到了钢桥面上不同疲劳细节的应力响应线，结果表明，各疲劳细节的应力响应因测点位置不同而存在一定差异. 顶部过焊孔处细节横桥向压应力响应范围较小，而拉应力响应范围较大；面板及顶部过焊孔处细节的纵向应力响应线较短，而U肋-横隔板连接处细节的应力在3道横隔板或横肋范围内仍保持较高水平.     

钢桥面板U肋对接焊缝疲劳裂纹扩展寿命分析

为研究正交异性钢桥面板U肋对接焊缝疲劳裂纹扩展寿命规律,建立正交异性钢桥面板U肋对接焊缝开裂模型,针对U肋对接焊缝开裂后沿表面、沿板厚两种情况分别进行裂纹扩展分析。通过计算裂纹尖端Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子,分别获得裂纹尖端应力、扩展角度的变化规律,然后结合Paris定律,基于断裂力学理论对两种情况下的裂纹扩展疲劳寿命进行评估。研究结果表明:表面疲劳裂纹两种裂纹尖端的扩展角度大致相同,呈对称扩展;当裂纹长度小于2.75mm时,板厚疲劳裂纹处于稳定扩展阶段,疲劳裂纹修复应尽量选择该稳定扩展阶段;通过对比可知,表面疲劳裂纹的扩展寿命是板厚疲劳裂纹扩展寿命的16.7倍,应对板厚疲劳裂纹扩展予以重点关注。     

正交异性钢桥面板疲劳性能的局部构造效应

建立了润扬大桥斜拉桥和悬索桥钢箱梁的疲劳分析模型,以顶板纵肋厚度、横隔板间距和纵隔板设置为重点设计参数,详细考察了钢箱梁局部构造对焊接细节疲劳效应的影响规律.分析结果表明,纵隔板设置导致2座大桥的顶板-纵肋焊接细节的疲劳效应存在较大差异,而由于纵隔板设置和纵肋厚度导致纵肋对接焊接细节的疲劳效应存在显著差异.在此基础上进一步研究了桁架式纵隔板对2类焊接细节疲劳效应的影响范围.对于顶板-纵肋焊接细节,影响范围为以纵隔板-顶板节点为中心,顺、横桥向长度均为0.6 m的矩形分布区;而对于纵肋对接焊接细节,影响范围为以纵隔板的顺桥向截面为中心,宽度为0.6 m的长带状分布区.     

考虑残余应力的钢桥面板-肋双面焊裂纹应力强度因子计算方法

建立焊接分析有限元模型,对顶板-纵肋双面焊构造的焊接过程进行数值模拟,拟合得到顶板焊趾细节沿板厚方向分布的横向残余应力分布经验公式;建立钢桥面板断裂力学数值模型,结合统一的权函数表达式,推导适用于顶板焊趾处裂纹最深点和表面点应力强度因子的新权函数,并将权函数计算的应力强度因子与有限元计算的应力强度因子进行对比。研究结果表明：顶板-纵肋双面焊顶板焊趾处残余应力沿板厚方向处于拉—压—拉状态,呈正弦函数分布;在二次应力分布下,权函数法与有限元法计算所得顶板焊趾处裂纹最深点应力强度因子最大相对误差为7.4%,表面点应力强度因子最大相对误差为4.1%;在焊接残余应力场下,权函数法与有限元法计算所得顶板焊趾处裂纹最深点应力强度因子最大相对误差为7.6%,表面点应力强度因子最大相对误差为8.6%;权函数法能有效计算钢桥面板-肋双面焊顶板焊趾处疲劳裂纹应力强度因子。     

钢桥焊接构件疲劳寿命预测

分析了影响焊接接头疲劳寿命的各种因素,在Dugdale模型基础上构造裂纹闭合模型,并将其应用到焊接接头的表面半椭圆形裂纹,其中考虑了影响区的材性变化、焊接残余应力以及焊缝几何带来的应力集中,通过与两个试验结果的比较表明：该法能估计裂纹扩展阶段的疲劳寿命,可用于焊接钢桥抗疲劳设计。     

基于应力监测的钢-UHPC组合桥面和环氧沥青钢桥面疲劳性能对比

为评估不同桥面加固方案对正交异性桥面板疲劳性能的改善情况,对比了钢-UHPC组合桥面和环氧沥青桥面铺装的桥梁疲劳性能.基于连续一周的应力时程数据,采用线性累积损伤准则计算了各疲劳易损细节的最大应力幅、等效应力幅和疲劳剩余寿命.建立有限元模型,对2种方案加固后的桥面刚度进行了定量对比,分析了车流量及温度变化对疲劳易损细节疲劳寿命的影响.结果表明:钢-UHPC组合桥面在各疲劳易损细节的最大应力幅和等效应力幅均小于ERE铺装桥面;除疲劳寿命为无穷大的疲劳易损细节外,钢-UHPC组合桥面疲劳易损细节疲劳寿命均大于ERE铺装桥面;钢-UHPC组合桥面拥有更大的抗弯刚度,钢-UHPC桥面板最大挠度为ERE铺装桥面的67.29％;车流量增多对2种方案加固后桥面疲劳易损细节疲劳寿命的影响基本一致,钢-UHPC组合桥面抗高温性能更好.     

桥梁用钢14MnNbq焊接接头的疲劳设计曲线

通过对14MnNbq钢焊接接头的疲劳试验,得到了循环应力-应变方程、应变寿命曲线以及疲劳设计曲线,并将14MnNbq钢焊接接头疲劳设计曲线与ASME、BS5500中相应的曲线进行了比较。     

焊接接头疲劳裂纹扩展随机模型

用随机过程理论与试验数据相结合的方法建立了焊接接头疲劳裂纹扩展的随机模型,根据随机模型分析了焊接接头疲劳裂纹扩展的统计规律。     

基于断裂力学的钢-UHPC组合结构中栓钉的疲劳寿命评估

为研究钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥面板中焊接栓钉疲劳寿命的高效评估方法,采用Schwartz-Neuman交替法建立钢-UHPC组合结构中栓钉焊缝表面裂纹的三维断裂力学模型,进行裂纹扩展模拟和栓钉的疲劳寿命预测。首先使用2种常用有限元软件ANSYS和ABAQUS中的断裂力学模型验证Schwartz-Neuman交替法的计算精度和效率;然后采用Schwartz-Neuman交替法求解不同栓钉焊缝初始裂纹的应力强度因子并对其进行参数分析;最后基于栓钉焊缝裂纹的三维扩展预测焊接栓钉的疲劳寿命,与钢-UHPC组合结构的推出疲劳试验结果进行比对,并通过ANSYS和ABAQUS中的断裂力学分析模型以及Schwartz-Neuman交替法给出的圆柱体内深埋倾斜圆形裂纹应力强度因子计算结果的比对,验证了Schwartz-Neuman交替法的优越计算能力和准确性。结果表明:在钢-UHPC组合结构的层间剪力作用下,钢-UHPC组合结构的栓钉焊缝裂纹属于Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型复合的混合型裂纹,且裂纹呈非平面扩展;栓钉的疲劳破坏位置主要取决于栓钉焊缝2个焊趾处初始裂纹相对于裂纹驱动力的方位和裂纹尺寸之比;基于栓钉焊缝表面裂纹三维扩展得到的栓钉疲劳寿命预测值与推出试件疲劳试验给出的栓钉疲劳寿命实测结果吻合良好,证明基于Schwartz-Neuman交替法的表面裂纹三维扩展可高效和可靠地用于钢-UHPC组合桥面板中栓钉的疲劳寿命评估。     

钢桥面疲劳细节的车辆动力冲击响应研究

选取佛陈新桥(三跨变截面连续钢箱梁桥)为研究对象,以35t标定三轴车进行跑车试验,结合有限元计算,对正交异性钢桥面疲劳细节的车桥动力性能展开研究.首先,将试验结果进行滤波处理,过滤掉噪声信号;然后,采用雨流法提取各个测点的应变幅值和循环次数;最后,按不同的疲劳细节计算出相应的冲击系数,并进行分析.研究发现:徐行与常速工况下,钢桥面均出现明显的车桥耦合现象.由于各疲劳细节处的局部刚度与构造的差异,各疲劳细节测点车桥动力冲击响应各不相同.其中,面板、U肋与隔板测点的冲击系数分别为0.219,0.245和0.394,均大于我国《正交异性钢桥面系统设计与维护指南》和美国AASHTO规定的0.15.研究结果表明目前的设计规范低估了车辆对钢桥面的动力冲击响应.     

正交异性钢桥面板的结构分析

在具有相同截面面积的开口纵肋和闭口纵肋钢桥面板静力试验的基础上 ,提出简化的计算模型 ,并采用有限元法进行精确的应力分析 ,计算结果与试验结果符合良好 ;系统地论述了正交异性钢桥面板弹性阶段的应力特性 ,着重研究了构造布置对铺装应变的影响 ,从而对铺装提出合理可行的建议正交异性钢桥面板的结构分析@徐军 @陈忠延     

正交异性钢桥面板的结构分析

在具有相同截面面积的开口纵肋和闭口纵肋钢徘同板静力试验的基础上,提出简化的计算模型,并采用有阴元法进行精确的应力分析,计算结果与试验结果符合良好;系统地论述了正交异性钢徘同板弹性阶段的应力特性,着重研究了构造布置对铺装应变的影响,从而对铺装提出合理可行的建议。