轴力作用下钢桥面板构造细节受力分析

为研究正交异性钢桥面板在轴力作用下的受力情况,建立全桥杆系有限元模型,获取钢桥面板所受轴力信息;建立钢桥面板局部有限元模型,提取各工况下疲劳细节关注点处应力,分析应力的变化情况,获取各疲劳细节最不利加载工况,比较研究最不利加载工况下各构造细节在轴力作用下的疲劳性能。结果表明,轴力对各细节应力幅影响较小,对U肋与横隔板围焊处和横隔板焊趾处平均应力影响较大,对U肋与顶板焊缝和弧形缺口平均应力影响较小。     

轮迹横向分布对异形钢桥面板疲劳性能的影响

以温岭市某座异形钢箱梁为研究对象,对车辆在右转弯时轮迹的横向分布进行统计分析,得到其车辆轮迹横向分布概率模型;采用数值模拟方法,分别分析了实测轮迹横向分布及规范(JTG D64—2015)的轮迹横向分布对异形钢箱梁桥面板4种典型疲劳构造细节的疲劳应力幅的影响并进行了比较。结果表明:虽然转弯时轮迹中心线的分布宽度较直行时大,但在某个横向分布区间内表现出更大的集中性;车辆右转弯时,桥面板典型疲劳构造细节的疲劳应力幅受轮迹横向分布的影响十分显著;对于所选取的4种疲劳构造细节,在采用实测轮迹横向分布模型时其等效应力幅均小于规范规定的轮迹横向分布模型的等效应力幅,说明按规范(JTG D64—2015)的轮迹横向分布模型计算偏于安全。     

钢桥面板—纵肋双面焊缝疲劳裂纹应力强度因子

双面焊有望改善顶板—纵肋焊接构造细节的疲劳抗力,而初始焊接缺陷是影响该类构造细节疲劳性能的关键因素。基于断裂力学理论,采用FRANC3D-ABAQUS交互技术建立了含初始裂纹的钢桥面板多尺度有限元模型,研究顶板—纵肋连接焊缝疲劳裂纹应力强度因子。分析了焊缝熔透率、顶板厚度、初始裂纹形状比等对双面焊缝疲劳裂纹应力强度因子的影响规律。结果表明：钢桥面板—纵肋连接焊缝细节处疲劳裂纹为Ⅰ型主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型疲劳裂纹;双面焊缝顶板焊根处疲劳裂纹应力强度因子最大值比单面焊缝小64.3%,改善了顶板—纵肋焊缝的疲劳性能;焊缝熔透率对顶板—纵肋双面焊接细节疲劳裂纹应力强度因子影响较小;加厚顶板显著降低了顶板—纵肋双面焊接细节疲劳裂纹应力强度因子;随着初始裂纹形状比增大,裂纹应力强度因子减小。     

大跨度桥梁钢桥面板跨尺度疲劳损伤评估方法

大跨度斜拉桥正交异性钢桥面板的顶板与纵肋焊接构造细节在车辆荷载作用下易产生疲劳损伤进而导致服役性能降低、影响行车安全。为评估大跨度桥梁钢桥面板的疲劳性能,提出基于细观损伤力学的大跨度钢桥疲劳损伤跨尺度评估方法;推导了基于细观损伤力学的钢桥面板疲劳损伤演化模型,在此基础上,结合实测交通数据,实现了基于Monte-Carlo法的随机车流模拟;最后,将提出的方法应用于一座大跨度三塔斜拉桥。研究结果表明,大跨度斜拉桥钢桥面板体系焊缝周围区域的累积疲劳损伤程度明显高于桥面板体系的其他部位;顶板与纵肋焊接构造细节的疲劳损伤累积呈现明显的非线性,预测的疲劳寿命远小于Miner线性疲劳损伤累积准则的结果。     

正交异性板疲劳分析及构造细节改进设想

针对正交异性钢桥面板疲劳开裂的普遍现象,对正交异性钢桥面板疲劳构造细节进行分析,重点讨论了几种典型的疲劳裂纹易发生部位及其失效模式.根据现场实测轴载谱,利用有限元软件对某实桥典型疲劳细节的疲劳寿命进行了计算.分析结果表明:按照国外规范计算,该桥疲劳验算点寿命能够满足要求,但是按照该桥实测轴载进行疲劳验算,纵肋对接焊缝、纵肋与顶板焊缝细节则均不能够满足要求.为提高正交异形板抗疲劳性能,需减少焊缝或提高焊缝抗力,并提出了两种新的构造细节的改进设想.     

新型正交异性钢-混组合桥面板足尺模型疲劳试验

为改善新型正交异性钢混组合钢桥面疲劳性能,采用理论推导、有限元模拟和足尺模型疲劳试验对其纵肋腹板与横隔板焊接细节进行研究.首先将由大尺寸纵肋组成的正交异性组合桥面系简化成铰接的双纵肋计算模型,然后进行足尺模型疲劳试验,分析混凝土层和钢桥面构造受力及开裂情况.结果表明:理论模型能较好反映纵肋实际力学行为;铺设混凝土层后,桥面板焊接构造细节疲劳应力得到很大改善.所提出的新型正交异性钢混组合钢桥面可作为解决正交异性钢桥面疲劳开裂问题的一种新思路.     

波形钢腹板单箱多室箱梁横向受力分析

波形钢腹板单箱多室箱梁横向跨距较大,波形钢腹板刚度相对较小,其横向受力比单箱单室箱梁的受力要复杂。通过波形钢腹板单箱双室试验梁的弹性阶段试验,分析了箱梁顶板的横向内力分布特点;考虑箱梁横向弯曲和畸变翘曲的影响,采用能量法建立波形钢腹板单箱双室箱梁横向受力计算模型,并将能量法结果、试验结果与有限元计算结果进行了对比分析。采用有限元模型对波形钢腹板横向受力进行了参数分析,结果表明:中腹板厚度变化对顶板横向内力的影响不可忽略;波形钢腹板单箱多室箱梁顶板的横向内力随着腹板与顶板线刚度比的增大而减小。     

波形钢腹板单箱多室箱梁横向受力分析

波形钢腹板单箱多室箱梁横向跨距较大,波形钢腹板刚度相对较小,其横向受力比单箱单室箱梁的受力要复杂。通过波形钢腹板单箱双室试验梁的弹性阶段试验,分析了箱梁顶板的横向内力分布特点;考虑箱梁横向弯曲和畸变翘曲的影响,采用能量法建立波形钢腹板单箱双室箱梁横向受力计算模型,并将能量法结果、试验结果与有限元计算结果进行了对比分析。然后采用有限元模型对波形钢腹板横向受力进行了参数分析,结果表明:中腹板厚度变化对顶板横向内力的影响不可忽略;波形钢腹板单箱多室箱梁顶板的横向内力随着腹板与顶板线刚度比的增大而减小。     

波形钢腹板单箱多室箱梁横向受力分析

波形钢腹板单箱多室箱梁横向跨距较大,波形钢腹板刚度相对较小,其横向受力比单箱单室箱梁的受力要复杂。通过波形钢腹板单箱双室试验梁的弹性阶段试验,分析了箱梁顶板的横向内力分布特点;考虑箱梁横向弯曲和畸变翘曲的影响,采用能量法建立波形钢腹板单箱双室箱梁横向受力计算模型,并将能量法结果、试验结果与有限元计算结果进行了对比分析。然后采用有限元模型对波形钢腹板横向受力进行了参数分析,结果表明:中腹板厚度变化对顶板横向内力的影响不可忽略;波形钢腹板单箱多室箱梁顶板的横向内力随着腹板与顶板线刚度比的增大而减小。     

波形钢腹板单箱多室箱梁横向受力分析

波形钢腹板单箱多室箱梁横向跨距较大,波形钢腹板刚度相对较小,其横向受力比单箱单室箱梁的受力要复杂。通过波形钢腹板单箱双室试验梁的弹性阶段试验,分析了箱梁顶板的横向内力分布特点;考虑箱梁横向弯曲和畸变翘曲的影响,采用能量法建立波形钢腹板单箱双室箱梁横向受力计算模型,并将能量法结果、试验结果与有限元计算结果进行了对比分析。然后采用有限元模型对波形钢腹板横向受力进行了参数分析,结果表明:中腹板厚度变化对顶板横向内力的影响不可忽略;波形钢腹板单箱多室箱梁顶板的横向内力随着腹板与顶板线刚度比的增大而减小。     

波形钢腹板单箱多室箱梁横向受力分析

波形钢腹板单箱多室箱梁横向跨距较大,波形钢腹板刚度相对较小,其横向受力比单箱单室箱梁的受力要复杂。通过波形钢腹板单箱双室试验梁的弹性阶段试验,分析了箱梁顶板的横向内力分布特点;考虑箱梁横向弯曲和畸变翘曲的影响,采用能量法建立波形钢腹板单箱双室箱梁横向受力计算模型,并将能量法结果、试验结果与有限元计算结果进行了对比分析。然后采用有限元模型对波形钢腹板横向受力进行了参数分析,结果表明:中腹板厚度变化对顶板横向内力的影响不可忽略;波形钢腹板单箱多室箱梁顶板的横向内力随着腹板与顶板线刚度比的增大而减小。     

正交异性钢桥面板结构热点应力有限元分析

以正交异性钢桥面板焊接节点为研究对象,对焊接节点焊趾处不同的结构热点应力确定方法进行比较分析.利用有限元软件ANSYS分别建立焊接节点的实体单元和壳单元有限元模型,在焊趾附近区域共划分7种网格尺寸,分别采用直接提取法、表面外推法和结构应力法计算正交异性钢桥面板焊接节点焊趾处的结构热点应力,比较分析不同方法计算结果的精度及对网格尺寸和单元类型的敏感性.研究结果表明,对于不同网格尺寸和单元类型的有限元模型,直接提取法和表面外推法获得的结构热点应力离散性较大,结构应力法计算的结构热点应力具有较好的一致性.     

钢桥面板顶板-U肋焊缝多轴疲劳效应评估

为了评估顶板-U肋焊缝多轴疲劳效应,定义了主要应力分量为坐标轴向幅值最大的正应力。基于弹性力学对比了单、多轴疲劳应力,提出了采用绝对值最大的主应力与主要应力分量的偏差值δ作为多轴疲劳评判依据。建立了钢桥面板节段模型和顶板-U肋细节子模型,对细节处多轴疲劳变形和应力状态进行了评估。为了定量单、多轴疲劳寿命评估的差异,定义了疲劳寿命比R,理论推导得R-δ关系,并通过试验和有限元分析加以验证。研究结果表明:单轴荷载下绝对值最大的主应力等于主要应力分量,多轴荷载下两类应力存在偏差,偏差越大,多轴疲劳效应越显著;对于顶板-U肋焊缝,多轴疲劳效应随荷载中心线偏离焊缝位置越发显著,横隔板处顶板-U肋焊缝的多轴应力状态更为明显; R与δ3成正比,该关系为在单轴疲劳评估的基础上进行多轴疲劳寿命评估提供参考。     

车 - 温度荷载耦合作用下悬索桥钢桥

针对传统悬索桥钢桥面板疲劳寿命评估方法忽略了温度荷载影响的问题,提出考虑车辆和温度 荷载耦合作用下悬索桥钢桥面板疲劳耐久性评估方法。以南溪长江大桥为工程背景,基于悬索桥主梁的车辆 动态称重（WIM）、U 肋细节应变、铺装层温度和环境温度监测数据,建立标准疲劳车辆模型、铺装层温度 概率模型和主梁温差模型。在 ANSYS 有限元平台,采用瞬态分析计算车辆和铺装层温度荷载耦合作用对结 构两类典型焊接细节的疲劳应力效应的影响,并统计结构温度梯度的疲劳应力谱。在此基础上,预测车 - 温 度荷载耦合作用下南溪长江大桥两类典型细节的疲劳寿命。研究表明：在车载不变的情况下,沥青铺装层温 度与等效应力幅呈现线性关系。温度对细节疲劳寿命的影响随着细节距铺装层距离的增大而衰减。温度梯度 疲劳荷载谱的循环次数明显较车载小,在两者耦合作用中,车载对疲劳损伤的贡献值占据主要地位。对比考 虑与不考虑车 - 温度荷载的耦合作用,南溪长江大桥梁服役 100 a 主梁细节 1 和细节 2 的疲劳损伤计算值分 别相差 5.06 和 1.50 倍。     

正交异性钢桥面板U肋与桥面板焊缝连接处疲劳试验研究

以九江长江公路大桥主跨钢箱梁结构为研究对象,通过对实桥结构的有限元分析,确定了能够反映正交异性钢桥面板U肋与桥面板焊缝连接处受力状态的疲劳试样;依据理论分析和静载试验,获得了加载载荷与研究部位应力的对应关系;通过疲劳试验得到了该结构细节的疲劳破坏形式、应力-寿命曲线及容许应力幅值,为大桥的疲劳寿命评估、健康检测及养护维修提供依据,也为其它桥梁设计提供参考.     

大跨度钢箱梁斜拉桥钢–UHPC组合桥面加固效果评估

为评估钢-UHPC（超高性能混凝土,Ultra-High Performance Concrete）组合桥面对大跨度钢箱梁斜拉桥的加固效果,基于随机车流下应力监测数据,结合《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）对钢-UHPC组合桥面和ERE（冷拌环氧树脂,Epoxy bond chips layer+ Resin asphalt+ Epoxy bond chips layer）桥面的疲劳性能进行了对比评估。利用Miner线性累积损伤准则计算了两种桥面各疲劳易损细节的剩余疲劳寿命。建立有限元模型,对钢-UHPC组合桥面UHPC层的抗裂性能进行了验算;计算了两种桥面钢桥面板的最大挠度及沥青铺装层的最大拉应力。结果表明： ERE桥面面板-纵肋焊缝纵肋侧、横隔板弧形切口和纵肋对接焊缝处存在较大应力,剩余疲劳寿命分别为214、186、61年;ERE桥面纵肋对接焊缝处在桥梁设计基准期内有疲劳破坏的风险;经钢-UHPC组合桥面加固后,正交异性板各疲劳易损细节最大应力幅值均降低到常幅疲劳极限以下,剩余疲劳寿命增长为无穷大;钢-UHPC组合桥面UHPC层的最大拉应力为4.68MPa,抗裂性能满足规范设计要求;经钢-UHPC组合桥面加固后,正交异性桥面刚度提升效果明显;加固后,钢桥面板挠度降幅为34%,最大挠度为0.69mm;沥青铺装层最大拉应力降幅为59%,最大拉应力为0.42MPa。经钢-UHPC组合桥面加固后,正交异性钢桥面板各疲劳易损细节疲劳性能满足规范设计要求,桥面铺装层的抗裂性能也有所改善。     

斜拉桥Ⅱ形主梁剪力滞影响因素分析

通过三维有限元模型对Ⅱ形梁斜拉桥主梁剪力滞特性进行了参数分析,主要考虑了预应力、桥面横坡以及小纵梁的影响,并将有限元模型结果与实桥检测数据进行了对比,验证了其可靠性。结果表明：预应力对Ⅱ形截面斜拉桥主梁轴向应力的横向分布规律有明显影响,计算中不可忽略预应力束的影响;桥面横坡也是影响Ⅱ形截面主梁斜拉桥剪力滞效应的一个重要因素,尤其是对顶板中央处的纵向正应力影响较大;在桥面板沿纵向增设小纵梁是减小剪力滞效应的一种有效方法,对于高度较小的纵梁可以显著改善应力分布。     

疲劳裂纹的跨尺度分析

为了准确模拟正交异性钢桥面板疲劳裂纹扩展行为,提出基于约束应力区的三维表面半椭圆跨尺度裂纹模型.采用有限元法求解应力强度因子,将跨尺度应力强度因子作为疲劳裂纹从微观到宏观扩展的控制参量,使用统一模型描述正交异性钢桥面板疲劳破坏全过程.对正交异性钢桥面板的疲劳失效行为进行数值模拟,并与试验应力-寿命曲线进行对比分析.结果表明:疲劳裂纹扩展跨尺度模型能正确反映正交异性钢桥面板纵肋与桥面板焊接部位的疲劳破坏过程,并可模拟疲劳裂纹扩展从微观到宏观的跨尺度行为.由于微观效应对疲劳寿命有显著影响,当考虑到材料的微观效应时,该模型可解释疲劳寿命试验数据的离散现象.     

CFRP粘接加固正交异性钢桥面板界面破坏机理研究

对碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP)粘接加固正交异性钢桥面板界面性能进行了研究。采用考虑损伤因子的疲劳内聚力模型建立CFRP粘接加固正交异性钢桥面板有限元模型,采用二次名义应力准则判断界面损伤起始位置,根据幂法准则判断界面损伤破坏。以安庆长江公路大桥正交异性钢桥面板为研究背景,通过有限元模拟研究CFRP粘接加固正交异性钢桥面板界面破坏情况和应力分布。结果表明：CFRP粘接加固正交异性钢桥面板在盖板-U肋焊缝处首先发生界面破坏,随着荷载循环次数的增大,胶层破坏逐渐向纵肋和桥面板两端延伸,且界面破坏经过弹性阶段、软化阶段和界面破坏阶段3个阶段。     

三主桁斜拉桥桥面板剪力滞效应研究

三主桁斜拉桥公路桥面板支撑在钢桁梁上直接承受汽车荷载,桥面板中存在剪力滞后现象.采用了空间有限元模型对三主桁斜拉桥板桁组合结构的混凝土和钢正交异性桥面板的剪力滞后情况进行了分析,计算结果表明,板桁结合梁桥面板中存在较明显剪力滞后效应,尤其在最内索锚固截面和中间支座截面附近纵向应力的横向分布更不均匀,其纵向应力不均匀系数ξ为2.54～3.07之间,因此设计时对这些部位必须予以充分考虑.