运营状态下悬索桥钢桥面板疲劳效应监测与分析

基于润扬大桥悬索桥7个月的长期疲劳效应监测结果,建立了铺装层-钢桥面板一体化疲劳分析模型,并研究了两类关键焊接细节的疲劳效应与车流量、环境温度间的相关性关系。结果表明,两类焊接细节的应力循环次数与车流量线性相关而与环境温度无关,等效应力幅与环境温度线性相关而与车流量无关。由疲劳设计指南推荐的疲劳效应计算模型得到的应力循环次数较监测结果偏低,顶板-纵肋焊接细节的等效应力幅与监测结果吻合良好而纵肋对接焊接细节的结果较为保守。上述分析结果为疲劳设计指南的进一步改进和完善提供参考和依据。     

桥面铺装对钢桥面板疲劳应力幅的影响

钢桥面板厚度小,铺装层的相对刚度较大,钢桥面板疲劳设计时,应该考虑铺装层与钢桥面板的共同作用。假设桥面铺装与顶板没有相对滑移,采用有限元方法探讨了桥面铺装弹性模量和厚度对正交异性钢桥面板疲劳应力幅的影响。     

正交异性钢桥面板肋-面板焊缝疲劳验算的应力分析模型评估

以天津塘沽海河大桥的正交异性钢桥面板为例,建立钢箱梁节段的有限元分析(FEA)模型、简化FEA模型和基于钢箱梁节段的子模型进行肋-面板焊缝疲劳应力分析模型的评估。计算结果表明:对于远离纵腹板处的肋-面板焊缝,通过提高简化FEA模型中横隔板高度和约束横隔板底部翼缘的方式可减小与钢箱梁节段FEA模型结果的误差;对于靠近纵腹板处的肋-面板焊缝,所有简化FEA模型的应力计算结果均低于钢箱梁节段FEA模型的结果,且误差超过23%。基于钢箱梁节段的三跨子模型可以准确地给出钢桥面板任意位置的肋-面板焊缝的疲劳应力。它具有钢箱梁节段FEA模型的计算精度和简化FEA模型的计算效率,因此它可作为正交异性钢桥面板任意位置处肋-面板焊缝疲劳应力分析的准确和高效计算模型。     

钢箱梁桥焊接细节的疲劳断裂可靠性分析

联合线弹性断裂力学和长期监测数据提出了大跨桥梁焊接细节疲劳可靠度评估方法, 并以润扬大桥钢箱梁的焊接细节为对象开展了应用研究。首先, 采用长期监测数据建立了疲劳荷载效应的概率模型;其次, 推导了焊接细节疲劳断裂抗力的表达式, 分析了初始裂纹深度和极限裂纹深度对断裂抗力的影响规律, 采用随机数值模拟的方法得到了断裂抗力的概率模型;最后研究了交通荷载增长条件下焊接细节疲劳可靠度的时变规律。研究表明:断裂抗力服从对数正态分布, 且对初始裂纹深度极为敏感;当考虑交通荷载增长, 桥梁的服役期还未满设计基准期时, 焊接细节的可靠度就将低于目标可靠度水平。     

循环荷载作用下钢桥面铺装疲劳损伤失效行为研究

针对钢桥面铺装工程中普遍采用的改性沥青(Stone Matrix Asphalt,SMA)、浇筑式沥青(Guss asphalt,GA)、环氧沥青(Epoxy asphalt,EP)混合料双层铺装结构,进行了循环车载作用下钢桥面与沥青混凝土铺装疲劳损伤特性理论分析与试验研究。基于疲劳损伤度,研究了钢桥面铺装疲劳损伤失效行为和疲劳开裂过程中损伤场、应力和应变场动态演变机制,推导出疲劳失效时的损伤场、应力和应变场计算表达式,并给出钢桥面铺装疲劳寿命理论公式。以三座钢箱梁桥桥面铺装(润扬长江大桥2005,南京长江三桥2005,苏通大桥2008)为例,对不同铺装结构组合方案下的复合梁进行疲劳试验分析和使用寿命理论预测。实例研究结果表明,钢桥面铺装疲劳损伤失效行为预估模型合理可行;相较于改性沥青、浇筑式沥青,环氧沥青混合料具有较强高的强度低变形能力,更适合于大跨径钢桥面铺装抗疲劳的设计要求;由环氧沥青混合料组合而成的“双层环氧沥青混凝土”和“浇注式沥青混凝土(下层)+环氧沥青混凝土(上层)”的抗疲劳性能优于其它沥青混合料铺装结构组合方案,同等厚度组合情况下疲劳使用寿命可延长1倍~2倍以上;“双层环氧沥青混凝土”已应用于润扬长江大桥、南京长江三桥和苏通长江大桥钢桥面工程,并已成功运行10年以上,其跟踪观测结果良好。     

环氧沥青铺装对钢桥面板受力影响试验研究

某悬索桥钢箱梁采用正交异性钢桥面板,运行数年后钢桥面板构件连接部位出现了4种疲劳裂纹,为考察新换环氧沥青混凝土铺装对疲劳敏感部位受力影响,建立了有限元模型,开展了长达6年的现场试验,试验涵盖原铺装、铺装铲除、新铺装三种状态,测试了疲劳敏感部位的受力及构件变形规律,开展了考虑温度影响的疲劳寿命改善效果分析研究。结果表明:6年试验期内环氧沥青混凝土铺装与钢桥面板组合受力处于稳定状态,在低温环境下,疲劳敏感部位1~4应力改善效果分别为80%、14%、32%、46%;4个疲劳敏感部位应力与温度线性关联,线性速率分别为?4.00、0.64、1.89、1.91;将实测应力统一至年均温度后,新铺装对部位1疲劳寿命相对改善较大,约提高了2.95倍,对部位4疲劳寿命改善次之,约提高1.64倍,对于部位2、3疲劳寿命改善效果不明显,高温环境下部位2、3开裂可能性仍较大。     

轮载作用下正交异性钢桥面板构造细节受力特征及机理研究

为明确正交异性钢桥面板(OSD)构造细节的轮载局部应力效应及受力特征,开展了横桥向3个典型工况的货车加载试验和有限元分析,记录了货车低速通行下OSD构造细节的应力时程,研究了构造细节轮载应力行为和机理。研究表明：OSD构造细节轮载局部应力效应显著,构造细节的明显加载效应局限在横桥向轮载中心两侧各1倍纵肋中心距范围,表明OSD疲劳研究无须考虑货车左右轮或相邻车道货车并行的叠加效应。在显著局部应力范围内,货车每个车轴在纵肋-面板(RD)构造细节产生一个应力循环;跨肋式是RD、纵肋-横隔板(RF)焊缝和弧形切口(Cutout)构造细节横桥向最不利轮载位置。轮载作用下沿横桥向,RD面板侧以面板受纵肋腹板支承的连续梁受力为机理,纵肋侧以RD两侧面板和纵肋的弯矩平衡受力为机理;纵肋-横隔板纵肋侧(RF-R)构造细节以横隔板支承的连续梁支点负弯矩受力为机理;纵肋-横隔板横隔板侧(RF-F)构造细节以位于横隔板腹板上方受压为机理;弧形切口细节以空腹桁架竖杆受压为机理。明确的轮载应力局部范围和机理,能简化OSD结构疲劳有限元分析,有助于改善OSD结构抗疲劳设计。     

钢桥面板纵肋与横隔板焊接细节表面缺陷及疲劳效应研究

初始焊接缺陷是影响结构件疲劳性能的关键因素之一。在断裂力学评估框架下引入特征化初始焊接缺陷,结合相互作用积分法与复合断裂准则解决由表面缺陷所导致的复合型疲劳裂纹扩展问题,在此基础上编写裂纹扩展模拟程序,建立表面焊接缺陷效应评价方法,通过分析揭示了不同形态和尺度的初始焊接缺陷对于钢桥面板纵肋与横隔板构造细节裂纹扩展关键性度量指标和疲劳寿命预测的影响。结果表明:所建立的方法可有效用于评估焊趾部位表面焊接缺陷对于疲劳性能的效应;面状缺陷对于裂纹扩展度量指标和疲劳寿命预测结果的影响更为显著,其初始缺陷深度和形态均是影响疲劳性能的关键因素,体积型缺陷对于疲劳寿命的影响主要由深度方向的缺陷尺寸决定;焊接缺陷的形态和几何参数取值应根据工程实际和规范建议值共同确定,直接简化为面状缺陷会低估结构件的疲劳寿命;考虑焊接缺陷不确定性的可靠度评估方法尚需进一步研究。     

车载作用下大跨径缆索支承桥桥型对铺装层受力的影响研究

以润扬长江公路大桥为工程背景，通过有限元数值模拟技术，分析建立其北汊斜拉桥和南汊悬索桥的三维整桥模型，进行整桥力学分析，提出整体—局部分析方法，进而分析铺装层的受力特点；悬索桥的桥型对铺装层的受力影响较大，作者计算的铺装层拉应力明显大于以往模型；对于斜拉桥跨中位置，考虑整桥后铺装层的受力略大于局部模型，对于承受斜拉索水平分力挤压的主梁部分，其铺装的受力略小于局部模型。     

钢桥面铺装在行车荷载与环境温度共同作用下疲劳损伤分析

用损伤力学原理及方法,从力学近似法角度分析了环境温度和循环车辆荷载共同作用下钢桥面沥青混合料铺装的疲劳损伤特性,推导出疲劳试验复合梁的损伤场、应力和应变场。以长江一大桥钢桥面环氧沥青混凝土铺装体系复合梁疲劳试验为例,进一步推导出复合梁的疲劳寿命预测公式。实例分析表明,考虑环境温度和车辆荷载共同作用下钢桥面铺装体系的疲劳寿命要小于单一考虑行车荷载的计算结果,二者相差最大可达44%。研究认为温度变化会导致铺装层的劲度不断发生变化,从而直接影响钢桥面沥青混合料铺装的力学行为和疲劳寿命,因此仅考虑交通荷载的作用进行钢桥面沥青混合料铺装体系疲劳损伤的分析是过于简化的,应予以重视。此外,指出了环氧沥青混凝土铺装具有很好的抗疲劳性能。     

Fatigue reliability assessment for orthotropic steel deck details under traffic flow and temperature loading

A new fatigue reliability assessment function which takes into account the vehicle and temperature loadings has been developed in this study. The vehicle and temperature loadings are important parameters as they can cause fatigue failure of the welds in a steel box girder. The temperature affects the traffic loading effect by changing the elastic modulus of asphalt pavement. The effect of the temperature difference has been considered based on the measured data and the finite element analysis. Linear regression equations between the equivalent stress and the temperature for different vehicle types have been developed. Using the thermal stress analysis and the rain-flow counting method, the temperature difference fatigue stress spectrum has been determined. Further, a limit equation for the fatigue reliability assessment, which takes into account both the vehicle and temperature loadings, has been developed. Finally, the effects of the temperature and the traffic growth rate on the fatigue reliability of two welding types of Nan-xi Yangtze River Suspension Bridge have been assessed.     

铁路正交异性桥面加劲肋-横隔板局部疲劳受力特性研究

正交异性钢桥面因整体性好、承载力强等优势在铁路大跨度桁梁及箱梁斜拉桥、拱桥等桥型中应用越来越广泛,其疲劳特性与公路桥面具有显著的差异。针对铁路正交异性钢桥面加劲肋与横隔板连接处的疲劳敏感区,通过弹性支撑梁理论及闭口薄壁杆件理论分析其局部受力特征,提出了加劲肋疲劳敏感部位面内疲劳应力的解析公式,分析了解析公式中各疲劳影响因素的影响程度及作用机理。基于甬江特大桥——大跨度铁路斜拉桥的钢箱梁正交异性桥面设计了包含2个U肋及2个V肋的正交异性桥面疲劳试验模型,并进行了560万次疲劳加载。研究结果表明:解析公式与有限元分析、试验测试结果相符良好;试验模型测试结果能准确反映疲劳敏感点的应力情况,解析理论则能够反映疲劳敏感点应力的影响因素与规律;在铁路荷载下,加劲肋与横隔板的焊缝长度和加劲肋腹板倾角的增大能够有效降低加劲肋的疲劳应力幅;在铁路正交异性钢桥面板中面积相近、抗弯刚度相等的V肋比U肋具有更好的抗疲劳工作性能。     

Effect of pavement design parameters on the behaviour of orthotropic steel bridge deck pavements under traffic loading

This study evaluated the effect of the pavement design parameters on the behaviour of orthotropic steel bridge deck pavements under traffic loading using a three-dimensional finite element model. Four types of paving materials were considered in this analysis: polymer concrete, epoxy asphalt concrete, polymer-modified stone mastic asphalt concrete and mastic asphalt concrete. The maximum transverse tensile strain was developed at the bottom of the pavement under a tyre of dual tyres or on top of the pavement between two tyres. From the sensitivity analysis, better interface bonding between the deck plate and pavement led to a significant enhancement of bottom-up fatigue cracking resistance, especially for 40-mm-thick pavements. As pavement temperature increased from ? 20 to 60°C, critical tensile strain increased significantly, and corresponding locations moved from the bottom to the top of the deck pavement.     

随机车辆荷载下三塔悬索桥钢箱梁疲劳关键断面分析

泰州大桥为世界首座千米级三塔悬索桥,建立泰州大桥的三维全桥模型,通过简化的车辆荷载模型,将随机车流加载于大桥有限元模型上,计算泰州大桥主梁不同位置竖向位移和弯矩的振动响应值,分析车流作用下大桥主梁应力变化最大位置,从而确定主梁的疲劳分析的关键位置。     

纵肋与横隔板交叉构造细节穿透型疲劳裂纹扩展特性及其加固方法研究

纵肋与横隔板交叉构造细节是正交异性钢桥面板最易发生疲劳开裂的构造细节,通过建立有限元数值模型,采用断裂力学方法,研究栓接角钢加固方式对该处疲劳易损细节穿透型裂纹的加固效果。基于疲劳试验足尺节段模型相对应有限元模型,建立了纵肋与横隔板焊接处穿透型疲劳裂纹模型,针对栓接角钢和纵肋外侧栓接钢板两种加固技术的加固效果进行评估。研究结果表明:钢桥面板纵肋与横隔板交叉构造细节的疲劳裂纹扩展至一定长度后将发展成穿透型裂纹,裂纹面受力复杂,纵肋腹板内外侧疲劳裂纹扩展特性表现的不一样,但是随着裂纹扩展的逐步进行,裂纹尖端的开裂模式均以复合型开裂为主;栓接角钢加固方式主要抑制纵肋与横隔板交叉构造细节易损部位疲劳裂纹的I型开裂,因此能很好地抑制短裂纹的扩展,但对于该细节处以复合形式扩展的穿透型疲劳裂纹的加固效果并不显著;在纵肋外侧栓接半U形钢板的加固方法能有效改善穿透型疲劳裂纹的等效应力强度因子,并且加固之后均保持在裂纹扩展阈值以下,表明该加固方式对穿透型疲劳裂纹有良好加固效果。     

子模型法在超大跨悬索桥钢箱梁应力分析中的应用

以国内第一大跨桥梁——润扬长江公路大桥南汊悬索桥为背景,在对大桥整体结构进行非线性有限元分析的基础上,运用子模型法计算了该桥扁平钢箱梁各关键部位的应力。与实测数据的对比表明:子模型法计算结果准确可靠,能够较真实的反映大桥钢箱梁在各种工况下的受力状态,是分析超大跨悬索桥钢箱梁应力水平及其分布的有效方法。最后分析了该桥钢箱梁的受力特点,为同类流线形扁平钢箱梁的应力分析和设计提供参考依据。