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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

钢箱梁竖向加劲肋焊接接头疲劳裂纹碳纤维补强修复试验研究

针对钢箱梁顶板与竖向加劲肋焊接接头疲劳细节,选取了3个已有焊趾疲劳裂纹的局部足尺试件作为研究对象,采用CFRP补强法对其中一组试件焊趾裂纹进行修复,其他两组对比试件则在CFRP补强的基础上分别进行钻孔及裂纹焊合处理。修复结束后,采用疲劳试验机进行100 MPa等应力幅疲劳加载,并在试验结束后对试件进行切割,以获取裂纹扩展断面。对试验数据进行处理分析,分别从疲劳裂纹扩展寿命、扩展断面等角度对修复效果进行评价。结果表明:CFRP补强法可显著提高疲劳裂纹的扩展寿命;在CFRP补强的基础上进行钻孔或裂纹焊合处理可进一步降低疲劳裂纹的扩展速率;CFRP布参与工作后可明显降低试件截面的疲劳应力,但粘贴未施加预应力的CFRP布对于短裂纹则几乎没有修复效果。     

重度疲劳开裂钢桥桥面的UHPC加固技术

武汉军山长江大桥在服役17年后,桥面板出现了严重的疲劳开裂问题,难以修补,为此提出一种钢桥面板不修补,上铺带横向钢板条的UHPC桥面加固方案。以军山长江大桥为研究背景,应用子模型技术对比计算了钢面板重度开裂时纯钢梁和加固后钢面板的应力状态;制作了双层钢筋网+UHPC的传统轻型组合桥面结构与钢板条+UHPC及三层钢筋网+UHPC两类新型加固结构,开展了横向抗弯静力试验及疲劳试验。研究结果表明：采用UHPC加固技术后,正交异性钢桥面的疲劳应力大幅度下降,其中钢面板-U肋焊趾处的横向拉应力沿纵、横桥向的分布降幅达78.8%～86.4%;UHPC拉应力方面,由于钢面板不修补,UHPC层下缘拉应力高达12.9MPa,UHPC层下缘布置80mm宽间距200mm的钢板条后,其底面名义开裂应力可达43.2MPa,远高于设计拉应力,钢板条+UHPC的钢桥面加固方案经过应力幅22MPa的1000万次疲劳试验,UHPC层具备800万次疲劳寿命(裂缝宽度小于0.05mm),且刚度无折减,因此可作为永久结构层与重度开裂的钢桥面构成轻型组合桥面结构,经UHPC加固后,原钢桥面的疲劳裂缝有望不再发展。     

制作误差对纵肋与横隔板焊接细节疲劳抗力的劣化效应

纵肋与横隔板焊接细节是正交异性钢桥面板中的典型疲劳易损细节。受到制作焊接技术等因素的制约,该处构造细节的制作误差难以完全规避。为探究其对关注细节疲劳抗力的劣化效应,针对模型试验中产生的制作误差,基于线弹性断裂力学的扩展有限元方法(XFEM),建立含裂纹有限元模型。通过对构造细节的第一主应力场以及断裂力学计算结果的分析对比,得到制作误差对纵肋与横隔板焊接细节疲劳抗力的劣化效应。研究结果表明:试验模型中产生了横隔板犄角切割垂直度误差(Ⅰ区)与横隔板开孔切割断面凹陷误差(Ⅱ区),其中I区制作误差的产生难以改变疲劳裂纹开裂模式;Ⅱ区制作误差削弱了横隔板开孔犄角处的纵向刚度,减轻了横隔板对围焊下方的约束;Ⅱ区制作误差一旦产生,横隔板弧形开孔处Ⅰ—Ⅲ型应力强度因子幅值均会迅速增大,随着制作误差的增加,Ⅰ—Ⅲ型应力强度因子幅值増势减缓。相对于无制作误差工况,Ⅱ区初始制作误差工况关注细节疲劳寿命减少了21.4%,试验制作误差工况关注细节疲劳寿命减少了28.5%。     

钢箱梁顶板与竖向加劲肋疲劳裂纹的冲击裂缝闭合修复试验研究

针对我国钢箱顶板与梁竖向加劲肋构造细节,考虑我国钢材的力学性能,选取了2个疲劳裂纹开裂特征相近的试件,开展钢箱梁疲劳裂纹冲击裂缝闭合修复(ICR)试验研究。通过分析修复后疲劳裂纹扩展断面特征及扩展速率,得到了ICR修复后疲劳裂纹扩展规律。试验结果表明:ICR修复后能够延缓裂纹沿深度和长度方向的扩展,形成了裂纹扩展迟滞效应,并且焊缝部位的应力产生了重分布,提高了焊趾附近的应力幅,降低了裂纹尖端附近的应力幅,对延缓疲劳裂纹扩展起到促进作用。同时,以疲劳剩余寿命为指标,对比了止裂孔和ICR技术的修复效果,表明ICR技术具有更好的修复效果。     

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。     

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。     

闭口肋轻型组合桥面板疲劳性能研究

以洞庭湖二桥闭口肋轻型组合桥面板为对象,研究了焊接疲劳开裂细节,并引入热点应力法计算得到其应力幅值。对比分析后发现,与横梁相关的疲劳细节仍然有较高的应力幅值。针对国内外规范中典型横梁闭口肋开孔形式以及不同横梁厚度,开展有限元分析,从而进一步优化各疲劳细节的受力状态。数值分析结果表明：与传统钢桥面板相比,闭口肋轻型组合桥面板能大大降低各典型疲劳细节的应力幅值,降幅可达23.2%~86.1%|Eourcode3规范推荐的铁路桥梁孔型较优|横梁厚度的变化能大大改善横梁处相关疲劳细节的应力水平。足尺模型疲劳试验表明,洞庭湖二桥横梁圆弧过渡处疲劳细节强度满足设计要求|通过对STC层与钢顶板之间三种不同黏结方式的分析表明,界面黏结性的增强能改善轻型组合结构的受力性能。     

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。     

钢板-混凝土组合受弯加固梁疲劳性能试验研究

通过对8根钢板-混凝土组合受弯加固简支梁（以下简称组合加固梁）的等幅疲劳加载试验，研究了组合加固梁在疲劳荷载作用下的寿命及应变变化规律。试验结果表明：组合加固梁的疲劳破坏是由钢板裂纹从栓钉焊趾处开始缓慢扩展直至贯通导致的，与普通钢筋混凝土梁相比，组合加固梁的疲劳破坏具有较好的延性；钢板应力幅对组合加固梁的疲劳性能影响较大，实际设计时应严格控制钢板的应力幅和应力上限，不宜采用高强钢材和较薄的钢板；加固层预应力可有效提高组合加固梁的疲劳性能；按TB 10002.2-2005《铁路桥梁钢结构设计规范》中规定的焊有栓钉的受拉钢板的S-N关系对钢板-混凝土组合加固梁的钢板进行疲劳设计偏于安全。另外，提出了考虑应力水平影响的组合加固梁疲劳寿命的计算方法。图19表6参12     

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。     

沪通铁路长江大桥主梁新细节疲劳性能试验研究

为了研究沪通铁路长江大桥主梁桁架斜腹杆过焊孔焊接细节的疲劳性能,根据相似理论设计了疲劳试验 模型,并完成了3组（9个）试件的疲劳试验研究。试验中测得了各个试件在不同应力幅值下的疲劳寿命与应变状 态;并建立试件的有限元模型对比分析试验结果。试验结果表明：疲劳试验中每个试件的裂纹扩展与破坏模式具 有一致性;有限元计算结果与试验测试结果吻合良好,且误差均在15%以内;通过试验数据拟合得到过焊孔构造 细节的S-N曲线,其斜率为1/2.66,与Eurocode3的71焊接细节S-N曲线存在一定的差异;失效概率为2.3%的200万 次对应的该焊接细节疲劳应力幅值为37.89MPa。