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。     

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。     

正交异性钢桥面板STC铺装施工工艺研究及应用

对广东某高速公路立交辅道桥钢箱梁结构正交异性钢桥面板STC铺装后、行车数年分析为工程背景进行研究,该桥面铺装利用STC超高韧性混凝土的强度和韧性,将STC层与钢桥面板通过剪力钉的焊接形成一种组合结构,显著提高了钢桥面的整体刚度,阻止正交异性钢桥面板疲劳开裂,并同时保护桥面铺装层不出现损坏,有效解决了钢桥面疲劳裂纹和铺装易损坏的问题,降低后期的维护成本。     

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。     

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。     

正交异性钢桥面板疲劳性能的影响分析

正交异性钢桥面板由于重量轻,极限承载力大,适用范围广,已广泛应用于大跨度公路桥梁钢箱梁。作为全焊接结构,由于其复杂的几何结构,在车轮载荷下的独特力性能,焊接操作引入的残余应力和焊接缺陷等导致正交异性钢桥面板疲劳开裂现象突出。在本文的研究中,首先分析了正交异性钢桥面板的力学特性和疲劳影响因素,然后提出了疲劳修复方法。     

基于多失效模式损伤度相容的钢桥面板抗疲劳设计方法

疲劳荷载是决定正交异性钢桥面板疲劳寿命的外因,重载条件下钢桥面板的短寿问题尤为突出。多构造细节和多疲劳失效模式是钢桥面板疲劳问题的基本属性,其疲劳性能由构造细节疲劳寿命最短的疲劳失效模式决定。考虑剪切结构应力的疲劳寿命效应,基于疲劳裂纹扩展速率与疲劳寿命间的相关关系规律,提出了同时适用于钢桥面板多构造细节和多失效模式疲劳性能评估的广义等效结构应力法,实现了相关构造细节和失效模式疲劳抗力指标的统一表征;进而以构造细节为单位,将钢桥面板结构划分为多级子系统,提出了疲劳损伤累积相容性指标,建立了基于多失效模式损伤度相容的钢桥面板抗疲劳设计方法;在此基础上以有效延长重载条件下钢桥面板的疲劳寿命为主要目标,对三类钢桥面板结构的疲劳性能进行了理论分析和疲劳试验研究。研究结果表明：所提出的广义等效结构应力法适用于钢桥面板各构造细节及其相关失效模式的疲劳性能评估,通过所提出的方法能够准确确定钢桥面板的主导疲劳失效模式;所提出的基于多失效模式损伤度相容的钢桥面板抗疲劳设计方法,可为有效提高钢桥面板的疲劳寿命提供科学依据。     

港珠澳大桥正交异性钢桥面板疲劳特性研究

由结构体系和受力特性共同决定,疲劳问题是正交异性钢桥面板应用和发展所面临的重要课题。以典型的正交异性桥面板钢箱梁桥——港珠澳大桥为研究对象,通过足尺试件模型对5类重要的正交异性钢桥面板疲劳易损部位进行试验和理论研究。选取最易发生疲劳损伤的梁段作为模型设计的依据,针对各关键疲劳易损部位设计4组共8个足尺疲劳试件模型;对设计寿命期内各疲劳易损部位的疲劳特性进行试验验证,在此基础上选取典型疲劳易损部位进行疲劳损伤及疲劳性能试验,建立基于理论模型和弹塑性断裂力学的疲劳损伤裂纹扩展模拟方法。研究结果表明:港珠澳大桥正交异性钢桥面板的疲劳性能满足设计要求;正交异性钢桥面板疲劳易损部位的疲劳性能存在较大差异;疲劳裂纹附近区域的应力分布随裂纹的扩展而不断发生改变,可据此判别裂纹的萌生并监测其扩展;所提出的方法适用于待研究疲劳易损部位的疲劳寿命评估。     

正交异性钢桥面板顶板竖向加劲肋焊接接头疲劳性能试验研究

正交异性钢桥面板的疲劳问题是目前研究的主要热点之一。该文针对国内钢桥面板顶板竖向加劲肋焊接接头的构造细节,通过振动型疲劳试验机开展了18个试件的弯曲疲劳试验,研究了普通角焊缝和熔透角焊缝在不同加载应力幅下的疲劳性能,分析了焊接接头的应力集中系数,并与有限元分析结果进行了对比,得到了普通角焊缝和熔透角焊缝焊接接头疲劳寿命大小;同时采用BS5400、JSSC、Eurocode 3以及我国钢结构设计规范（GB 50017—2003）规定的S-N曲线对试验结果的疲劳强度进行了评定。研究表明：钢桥面板竖向加劲肋焊接接头熔透角焊缝的疲劳性能总体上优于普通角焊缝,对我国钢桥面板竖向加劲肋焊接接头的开裂前的疲劳性能建议采用BS5400-F2的S-N曲线（35MPa）进行设计和评价;并且两者焊接接头的应力集中系数约为2.4左右,其中熔透角焊缝受到焊接工艺的影响其应力集中系数较大,须在焊接后对其进行焊趾表面处理,以进一步提高疲劳性能。     

正交异性钢桥面板疲劳裂纹的维修加固方法

正交异性钢桥面板的疲劳裂纹是既有钢桥的常见病害,其维修加固难于新桥建设,必须遵守耐久性等基本原则。钢桥面板的维修加固方法分为三类:第一类是改进铺装层结构,减小整个钢桥面板所有部位的应力;第二类是局部补强或者改进纵向加劲肋的构造;第三类是直接对发生疲劳裂纹的局部进行维修。如果疲劳裂纹比较严重,如纵向加劲肋与横肋之间的连接失效、或者纵向加劲肋与面板的连接焊缝处裂纹向上贯穿面板等,则需要同时采用第一类和第三类加固方法。     

正交异性钢桥面板纵肋与桥面板连接细节的疲劳评估及修复措施

正交异性钢桥面板由于具有自重轻、极限承载力大等优点目前广泛应用于大、中跨径桥梁中,我国已建和在建的大跨径桥梁也大多采用正交异性钢桥面板.但由于正交异性钢桥面板结构构造复杂,受焊接残余应力影响大,钢桥面板直接位于车轮荷载的作用下,一些构造细节处极易发生疲劳开裂.以国内某大桥正交异性钢桥面板为例,针对纵肋与桥面板之间的疲劳...     

正交异性钢桥面板典型疲劳裂纹分类及其原因分析

正交异性钢桥面板的疲劳裂纹按照其产生的原因可分为两类:第一类由主应力引起,如纵肋对接焊接头部位;另一类由面外变形引起,如纵肋与面板焊接连接部位、纵肋与横肋交叉连接部位、腹板垂直加劲肋与面板焊接连接部位.这4种裂纹是迄今为止发现数量最多的裂纹.产生这些裂纹的原因分为外因和内因,外因就是反复作用的汽车活载,特别是超载车辆,...     

温度和车载对钢桥面板疲劳效应的影响分析

在服役环境和荷载作用下,正交异性钢桥面板的疲劳损伤会严重影响到桥梁结构安全。钢桥面板的疲劳荷载效应与温度、车辆荷载之间有着显著的关联性,需要深入研究温度与车辆荷载共同作用对钢桥面板焊接细节疲劳荷载效应的影响。以润扬大桥悬索桥的钢桥面板为研究对象,提出车辆荷载和温度共同作用下疲劳荷载效应的分析方法。为充分考虑温度对铺装层的影响,建立带铺装层的钢桥面板疲劳分析有限元模型。研究随机车辆荷载作用下的疲劳应力时程计算方法,包括车辆荷载作用的随机模拟方法和车辆荷载作用下的疲劳应力时程计算方法。在此基础上,借助标准疲劳车辆荷载模型,研究了温度和随机车辆荷载对疲劳荷载效应的影响。     

UHPC层对纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹加固效果研究

钢桥面板纵肋与顶板焊接细节是疲劳开裂最为严重的部位之一,为探究UHPC层对纵肋与顶板焊接细节的加固效果,文章采用数值模拟的方法分别研究了引入UHPC层前后不同尺寸裂纹关注点的应力强度因子幅值,研究结果表明:起裂于顶板焊根及顶板焊趾往顶板厚度方向扩展的疲劳裂纹均为I型为主的疲劳裂纹,其中,焊根裂纹较焊趾裂纹具有更强的扩展能力;采用UHPC层加固后,各尺寸疲劳裂纹关注点应力强度因子幅值ΔK_(eff)降幅均在50%以上,表明该加固方法能够较为有效地抑制疲劳裂纹的扩展;当表面裂纹长度较短时,可以不做处理,但当焊趾裂纹超过42 mm,焊根裂纹34 mm,应结合其他加固方式进行加固处理。     

正交异性钢桥面板焊接残余应力研究及其对疲劳开裂的影响

文章在有限元软件ANSYS中建立正交异性钢桥面板的3D实体模型,使用ANSYS的瞬态分析功能对正交异性钢桥面板焊接过程和冷却过程的温度场和应力场进行模拟分析。使用英国桥梁规范BS5400规定的标准疲劳车荷载和相应的应力循环S-N曲线公式作为计算标准,对所建模型先进行静力分析,确定了易发生疲劳破坏的部位。分析无焊接残余应力下所建模型的疲劳寿命和有焊接残余应力影响下相同模型的疲劳寿命,并将结果进行对比,得出了焊接残余应力使其疲劳寿命显著减少的结论。     

钢桥面板顶板疲劳开裂位置检测的K值判断方法研究

在对钢桥面板顶板焊缝疲劳开裂特征进行分析的基础上,针对顶板方向开裂的3种特征类似、位置接近的裂纹判断困难的问题,提出一种疲劳裂纹位置K值(焊趾到裂纹的水平距离)判断方法。通过超声波回波信号及相关参数,比较K值与焊脚尺寸大小,可以对顶板内部裂纹的开裂位置进行判断。考虑U肋板厚及倾斜角度、裂纹深度、裂纹位置、裂纹形态等因素,制作10个人工切割的裂纹试件与3个疲劳试件,通过超声波检测对K值法判断结果进行了验证。试验验证结果表明:K值检测判断顶板开裂位置具有较好的精度,该方法在钢桥面板顶板疲劳开裂位置检测判断中应用可行。     

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。     

正交异性桥面板结构疲劳和应力集中研究综述

<正>交异性钢桥面板具有自重轻,承载能力大,施工周期短等优点,在国内外的大、中跨径桥梁中得到广泛应用。由于车辆的反复荷载,桥面板疲劳裂缝和应力集中问题严重突出。本文结合有关正交异性钢桥面板疲劳的一些研究,阐述了正交异性钢桥面板细节构造的疲劳问题和相关结论,简述了钢桥面板的疲劳评估方法,并对正交异性钢桥面板的疲劳研究进行总结。     

基于断裂力学的城市钢桥面板疲劳寿命分析

<正>交异性钢桥面板承受着车辆动荷载的反复作用,容易造成疲劳累计损伤,导致钢桥面板出现疲劳开裂现象。为研究某城市桥梁钢桥面板的疲劳寿命,建立钢桥面板有限元模型,选取钢桥面板4种典型疲劳细节,根据实测所得到的城市车辆荷载频值谱,计算得到相应的应力历程和应力谱。基于线弹性断裂力学理论,对这4种疲劳细节进行疲劳寿命分析,结果表明:在桥梁设计基准期内钢桥面板不会发生疲劳破坏。     

桥面铺装对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响效应研究

为研究桥面铺装温度、表面不平顺度及车速等关键因素对正交异性钢桥面板纵肋与顶板焊接细节疲劳损伤的影响,提出考虑铺装层效应的车桥耦合动力模型,并采用健康监测实测数据对所提出的理论模型进行验证。在此基础上,以珠江口某超大跨径悬索桥正交异性钢桥面板为研究对象,量化各关键影响因素对其纵肋与顶板焊接细节的疲劳损伤累积效应的影响,并确定关键参数对疲劳损伤动力放大系数。研究结果表明:车桥耦合动力模型可以用于铺装层温度和车速等关键影响因素对疲劳损伤的影响效应;当桥面铺装温度为70℃且路面状况较差时,实际疲劳损伤为传统分析方法所得疲劳损伤的2. 5倍;该悬索桥正交异性钢桥面板在夏季最高气温时,钢桥面板实际疲劳损伤为基于传统分析方法所得疲劳损伤的2. 25倍,夏季某天平均的实际疲劳损伤为传统方法分析所得的1. 48倍;冬季某天平均的实际疲劳损伤为传统方法分析所得的0. 77。