基于有效缺口应力法的正交异性钢桥面板疲劳评价

为验证有效缺口应力法在正交异性钢桥面板疲劳评价中的适用性,开展了横隔板弧形切口2种不同过渡形式的局部应力研究.采用Ansys分别计算U肋与横隔板连接处焊趾和焊根处的有效缺口应力,并加以比较,表明焊趾处更易萌生裂纹.采用S-N曲线评估其疲劳寿命,表明有效缺口应力法可以应用于正交异性桥面板的疲劳评价.有限元分析假定缺口的真实半径为0,这可能导致试验结果的保守性.基于不同U肋厚度的比较,发现U肋厚度的增加将导致U肋与横隔板端焊缝处更易产生疲劳裂纹.相关研究结果可为正交异性钢桥面板的设计和疲劳评价提供参考.     

钢桥面板U肋对接焊缝位置对疲劳受力性能的影响分析

从疲劳受力特征角度分析钢桥面板U肋对接焊缝设置位置的合理性.建立正交异性钢桥面板局部有限元模型,施加移动车轮荷载,确定U肋对接焊缝位置对该细节作用范围的影响,计算U肋对接焊缝上典型部位的纵向应力分布、横向应力幅变化,对比不同U肋对接焊缝位置下的疲劳应力特征.结果表明:不同U肋对接焊缝位置的影响范围一致,但疲劳应力特征显...     

正交异性钢桥面板的疲劳裂纹扩展规律

为了研究正交异性钢桥面板U肋-横隔板的连接部位的疲劳问题,基于扩展有限元方法分析典型疲劳裂纹的扩展机理,并引入U肋-横隔板焊缝的残余应力,分析残余应力对疲劳裂纹扩展的影响。研究结果表明:萌生于横隔板开孔处的疲劳裂纹未考虑残余应力时不会扩展,加入残余应力后会改变裂纹的应力状态,裂尖应力可以驱动横隔板开孔处的裂纹扩展,裂纹扩展类型为Ⅰ型裂纹;萌生于U肋焊趾处的疲劳裂纹为Ⅰ型主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹,残余应力会影响裂纹扩展角度;对于萌生于横隔板焊趾处的裂纹,相比于不考虑残余应力的情况,考虑残余应力的裂纹扩展规律与实桥开裂规律相符,说明对于焊缝疲劳裂纹,在疲劳评估时应考虑焊接过程中残余应力对评估结果的影响。     

正交异性钢桥面板U肋与横隔板构造细节围焊处疲劳性能

为了研究正交异型钢桥面板的U肋与横隔板连接处的疲劳性能,以九江长江公路大桥正交异性钢桥面板的U肋与横隔板处焊缝细部构造为研究对象,通过实桥结构有限元分析及其局部结构子模型法进行的精细分析,得到了该细部结构焊缝处的应力分布及疲劳危险点;以疲劳试样关注点应力状态应与实桥对应位置应力状态相同的设计原则设计了疲劳试样。对疲劳试样进行了有限元分析、应力测试和疲劳试验。研究结果表明:疲劳试样与实桥在U肋与横隔板焊缝处的应力变化规律相一致,最大应力发生在U肋与横隔板焊缝围焊处的焊址部位;疲劳裂纹首先发生在U肋与横隔板焊围焊处,然后沿焊缝向两侧扩展;同时得到了该处的S-N曲线以及容许应力幅值;研究成果为大桥的疲劳寿命评估和养护维修提供依据,也为其他桥梁设计提供参考。     

轮迹位置对钢桥面板U肋对接焊缝疲劳性能的影响

为研究车轮行驶位置对钢桥面板U肋对接焊缝疲劳性能的影响,现以江阴长江大桥为研究对象,采用数值模拟的方法,计算了不同车辆轮迹位置作用下U肋对接焊缝处的疲劳应力幅,结合BS5400规范得到了该细节相应位置的疲劳损伤度;建立U肋对接焊缝局部模型,模拟了不同车轮位置作用下疲劳裂纹扩展路径,同时得到了各扩展阶段的裂纹扩展参数。结果表明:车轮位置与焊缝之间距离大于600 mm,可忽略车辆位置对U肋对接焊缝开裂前的疲劳损伤累计;相对于其他部位,U肋两侧弧形段疲劳损伤严重,易产生疲劳裂纹;随着车轮位置的改变,裂纹扩展路径逐渐由与焊缝平行向与焊缝垂直发展,车轮位置与焊缝之间距离大于750 mm,可忽略车辆位置对U肋对接焊缝开裂后的裂纹扩展影响。     

组合桥面板U肋对接焊缝疲劳破坏及修复方法试验

为了研究弯折U形肋组合桥面板的疲劳性能以及疲劳开裂后的修补方法,对一个带连续弯折U形肋的组合桥面板试件进行了前后两次疲劳试验研究.首先对初始采用无衬垫对接焊缝的试件进行疲劳加载直到焊缝开裂;然后在开裂处采用带衬垫的对接焊缝加固,再次进行疲劳加载直到破坏.研究了组合桥面板疲劳破坏形态、开裂处疲劳强度评定、疲劳裂缝修复方法及修复后的疲劳性能.试验结果表明:在反复荷载作用下无衬垫单面焊的对接焊缝是正交异性组合桥面板的薄弱处,首先发生疲劳裂纹,采用带衬垫的熔透对接焊缝对开裂处进行修补,能起到较好的补强效果.     

钢桥面板盖板-U肋焊缝平面内双裂纹扩展研究

对大跨度桥梁正交异性钢桥面板盖板-U肋焊接部位平面内双裂纹扩展规律进行研究,基于单裂纹扩展理论,采用相互作用积分法计算裂纹尖端应力强度因子和最大能量释放率(MERR)准则确定扩展方向,根据等效裂纹前缘原则研究双裂纹扩展到一定阶段后的融合及失效的全过程,并以安庆长江大桥正交异性钢桥面板盖板-U肋焊趾部位为研究背景,探寻其平面内双裂纹的扩展发展规律,获取双裂纹扩展下的疲劳寿命.结果显示:焊趾处平面内双裂纹是由I型主导的I-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹扩展融合过程;两个初始裂纹在各自区域内呈单裂纹扩展达到融合,融合后裂纹长轴方向扩展速度较快,最终形成新的单裂纹直至构件损坏.     

纵隔板对钢桥面板构造细节疲劳应力的影响

为研究斜拉桥纵隔板对钢桥面板构造细节疲劳应力的影响,基于子模型方法分别建立了钢桥面板和顶板与U肋焊缝、横隔板与U肋焊缝以及U肋对接焊缝的有限元模型,分析不同构造细节的应力特征,确定横桥向最不利加载工况。在最不利工况下提取各关注点处应力时程,采用Goodman公式计算等效应力幅,以等效应力幅来衡量各构造细节处的疲劳性能。针对设置纵隔板影响较大的构造细节,分析设置纵隔板横桥向影响范围。研究结果表明:斜拉桥钢箱梁纵隔板构造增大了横隔板与U肋焊缝的等效应力幅,降低了其疲劳性能,而对顶板与U肋焊缝疲劳受力的影响可以忽略不计,对于与纵隔板相邻的两根U肋对接焊缝,设置纵隔板能够有效改善对接焊缝疲劳区域的受力性能。     

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.     

正交异性钢桥面板疲劳裂纹锤击闭合修复试验

针对正交异性钢桥面板顶板与U肋连接焊缝疲劳构造细节,选取了3个已有焊根疲劳裂纹的局部足尺试件(ICR-1,ICR-2和DB-1)作为研究对象,对ICR-1和ICR-2进行裂纹锤击闭合处理(ICR处理)及维护后疲劳加载.对DB-1的一半疲劳裂纹进行ICR处理,并沿垂直裂纹方向切开,获取原始裂纹断面及锤击后裂纹断面,采用金相显微镜对锤击深度、浅层组织金相等进行分析.研究结果表明:ICR处理可大幅提高原始裂纹的扩展寿命;在ICR处理区域两侧均会萌生新的疲劳裂纹,新裂纹的扩展寿命大于原始裂纹;ICR处理后,原始裂纹开口得到了较好的闭合,重新形成共同受力的结构;ICR处理可使试件表面母材发生明显的塑性流动,产生偏向于焊根、沿板厚方向的挤压效果.     

正交异性钢桥面横向焊接接头的疲劳寿命估算

针对正交异性铁路钢桥面构造细节,设计2个足尺钢桥面构件进行静载和高周疲劳承载试验。在试验研究的基础上,建立钢桥面有限元模型,并进行分析计算,计算结果与试验值基本吻合。在1阶段模型的基础上,采用子模型技术建立纵肋焊缝位置带半椭圆表面裂纹的2阶段模型,用退化奇异单元模拟该部位裂纹尖端应力场,通过位移外推得到不同裂纹深度下裂纹尖端的应力强度因子K。基于初始裂纹尺寸的合理判定,对Paris公式积分推导得到纵肋焊接接头裂纹扩展曲线并估算疲劳寿命,计算结果解释了试验中裂纹的萌生和发展规律。建议钢桥面纵肋焊接接头按EC33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。     

钢桥面板顶板与U肋焊缝裂纹类型及扩展特征

为研究顶板与U肋焊缝各类型疲劳裂纹萌生及扩展特征,利用ABAQUS有限元软件建立钢桥面板节段模型,根据最大主应力及其方向分布,分析了不同轮载下的裂纹萌生位置和开裂趋势.结合顶板、U肋的受力与变形特征,利用FRANC2D二维断裂分析软件建立该疲劳细节开裂模型,通过分析扩展路径和应力强度因子,明确顶板与U肋各类型裂纹的受力...     

超高性能混凝土铺层提升钢桥面板疲劳性能试验研究

为明确超高性能混凝土（UHPC）铺层对钢桥面板疲劳性能的定量提升效果，考虑单轮和双轮两种加载模式，对正交异性钢桥面板典型的U肋?盖板?横隔板焊接节点在UHPC铺装前后的疲劳性能开展试验研究。首先基于静载试验得到焊接节点关键区域的热点应力分布，随后开展高周常幅疲劳试验，得到节点试件的疲劳裂纹萌生及扩展过程、疲劳破坏模式、刚度退化以及疲劳寿命等关键性能指标。结果表明：同等荷载作用下，钢?UHPC组合节点焊趾处热点应力值显著降低，最大降幅达58 %；与无UHPC铺层节点相比，钢?UHPC组合节点的疲劳裂纹数量减少，裂纹扩展速率和刚度退化速度得到了有效抑制，特征疲劳寿命也得到了大幅提高。国际焊接协会疲劳设计指南中的FAT 90、FAT100级S-N（应力幅?疲劳寿命）曲线可适用于UHPC铺装前后钢桥面板的疲劳寿命评估。     

碳纤维加固钢桥面板U肋对接焊缝疲劳试验

为探究钢桥面板U肋对接焊缝的疲劳开裂机理与修复加固方法,设计了2个带嵌补段的足尺单U肋试件模型,通过模型试验研究了该细节的疲劳破坏模式和实际疲劳抗力。随后,基于线弹性断裂力学方法建立碳纤维增强复合材料（CFRP）加固对接焊缝裂纹模型,通过数值模拟分别研究了CFRP布层数、CFRP布尺寸对疲劳性能的影响。最后,针对U肋对接焊缝介绍粘贴CFRP布无损修复方法和施工工艺流程,并对CFRP布粘贴修复后的裂纹试件进行疲劳测试。结果表明：U肋对接焊缝的疲劳易损点均出现在U肋圆弧过渡处,平均疲劳强度仅为59.7 MPa。经3层CFRP布修复后,不同损伤程度的焊缝疲劳强度约为未加固试件的0.8~2.6倍。粘贴CFRP布能够有效改善钢桥面板U肋对接焊缝的疲劳性能,且满足实桥无损修复的需求。     

钢桥面板U肋嵌补段对接焊缝多轴疲劳特征

为了研究U肋对接焊缝多轴疲劳特征,建立了钢桥面板节段模型与对接焊缝子模型,得出不同工况下对接焊缝上各关注点的应力状态。通过平板模型的单、多轴疲劳应力对比,提出了采用绝对值最大的主应力与主要应力分量的偏差作为评判多轴疲劳的依据。然后对U肋对接焊缝进行了受力分析与变形分析,并对比了影响该细节多轴疲劳的主要因素。研究结果表明:纵桥向正应力、截面弯曲剪应力和顶板厚度方向正应力的量值较大,是引起对接焊缝多轴疲劳开裂的重要原因;U肋弯曲应力占膜应力的比例很小,对接焊缝多轴疲劳开裂主要由面内变形引起;多轴疲劳效应随荷载中心线偏离U肋对称轴越发显著,单轴疲劳仅为荷载中心线与U肋对称轴重合时,在U肋对称中心点产生的瞬时效应。     

钢箱梁横隔板焊缝疲劳性能的锤击效果研究

针对钢箱梁横隔板与U肋连接焊缝疲劳细节,选取了三个局部试件作为研究对象,采用锤击装置对试件弧形缺口处焊缝的焊趾部位进行锤击处理,并采用疲劳试验机对处理后试件进行疲劳加载,对比分析试件的疲劳裂纹扩展情况、疲劳应力幅和疲劳强度的变化情况。同时,建立了局部锤击有限元模型,分析锤击部位的残余应力、塑性变形等,并结合疲劳试验结果,从疲劳裂纹萌生寿命、疲劳强度、锤击残余应力分布等角度,对锤击效果进行了评价。研究结果表明,锤击处理可有效提高横隔板与U肋连接焊缝的疲劳裂纹萌生寿命及疲劳强度;锤击处理可产生明显的塑性变形及残余应力,且两者均以焊趾为中心近似呈圆弧状分布;锤击深度为0.2mm时,锤击残余压应力沿板厚、垂直焊缝方向的分布范围均为3mm左右,从而改善构件的疲劳性能。     

基于实测应变的钢桥面板疲劳寿命分析

为评估钢桥面板的疲劳寿命,在某大桥钢箱梁1/4跨截面的顶板与U肋连接焊缝处和横隔板弧形缺口处布置应力测点,进行24 h疲劳应力监测。根据实测数据,利用雨流计数法计算得到疲劳应力谱,并基于BS 5400规范对各应力测点的疲劳损伤状态进行评估。结果表明：横隔板弧形缺口周边测点的应力水平相对较高;各应力测试点以低幅值应力循环为主,其中应力幅为2~10 MPa的循环次数占90%以上,但最大应力幅值均超过了BS 5400规范规定的产生疲劳损伤的极限值。疲劳寿命分析表明,顶板与U肋纵向连接焊缝过焊孔处易产生靠近顶板部位的疲劳裂纹,横隔板与U肋腹板连接焊缝的疲劳寿命较低。     

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-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.     

开口U形肋组合桥面板基本力学性能

为了检验所提出的开口U形肋组合桥面板在桥梁使用中的受力性能,并区分其与常规桥面板的受力性能,设计制作了3个不同桥面板试件,其中包括1个混凝土桥面板、1个正交异性钢桥面板、1个带U形肋组合桥面板.通过静力试验测试了不同桥面板在荷载作用下负弯矩区混凝土开裂情况、桥面板不同部位的结构应变和变形、极限承载力等.试验结果表明,在车轮荷载作用下,开口U形肋组合桥面板的应力远远低于正交异性钢桥面板的应力,避免了桥面板钢结构疲劳的发生;在重量比混凝土桥面板小57%的情况下,组合桥面板的承载力是混凝土桥面板的1.42倍;在用钢量约为钢桥面板1/2的情况下,二者的承载力相当.