正交异性钢桥面构造细节的日照温度次应力分析

为研究正交异性钢桥面板构造细节的日照温度次应力行为,多次在高温和强日照天气下现场实测了某自锚式悬索桥钢箱梁外周和实腹式横隔板上温度场,基于观测到的最大顶底板温差拟合了横隔板竖向温度梯度表达式;在ANSYS中建立了钢箱梁节段有限元模型并施加外周温度,计算其24 h温度场,并与横隔板实测竖向温度的对比校验了温度场模拟的合理性;开展了钢箱梁节段和子模型的精细化热应力分析,得到了纵肋-横隔板和弧形切口共4个构造细节的温度应力时程曲线。研究表明：在强太阳辐射和高温环境下,钢箱梁横向温差不明显,但存在明显的竖向温度梯度,横隔板竖向温度梯度可拟合为四折线形式,最大温差明显小于欧规值。正交异性钢桥面板产生热变形并在构造细节处产生明显热应力集中,特别是弧形切口热应力大。仅日照竖向温度梯度作用,或仅桥面货车通行加载,弧形切口均为无限疲劳寿命;但二者共同作用产生的应力幅,大于构造细节的常幅疲劳极限,可能是该构造细节出现疲劳开裂的原因。     

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。     

正交异性钢桥面板典型细节疲劳强度研究

为合理确定正交异性钢桥面板疲劳强度,该文对国内外疲劳试验成果进行分析,确定有效的钢桥面板疲劳试验数据,结合典型细节疲劳开裂机理,提出适应于中国抗疲劳设计与建造水平的钢桥面板疲劳强度等级(200万次循环对应的疲劳强度)。研究结果表明:顶板与纵肋连接细节疲劳强度受焊缝型式影响较大,采用角焊缝连接时疲劳强度为50级,采用部分熔透焊缝连接时为60级;纵肋与横隔板连接细节横隔板焊趾处疲劳强度为70级,纵肋腹板焊趾处为55级;横隔板挖孔细节疲劳强度为70级;纵肋拼接细节疲劳强度与拼装间隙密切相关,拼装间隙小于3 mm时疲劳强度为40级,拼装间隙4 mm~6 mm时疲劳强度为70级,拼装间隙8 mm~12 mm时疲劳强度为100级。纵肋与横隔板连接细节横隔板焊趾处、横隔板挖孔细节和纵肋拼接细节疲劳强度与现行中国JTG D64规范一致,而顶板与纵肋连接细节、纵肋与横隔板连接细节纵肋腹板焊趾处疲劳强度低于JTG D64中的疲劳强度等级。在进行正交异性钢桥面板抗疲劳设计或疲劳评估时,应综合考虑细节构造、制造质量以及实际使用状况等因素,采用合理的疲劳强度等级。     

温度作用对带铺装层钢桥面板疲劳效应的影响研究

以润扬大桥悬索桥为考察对象,基于实测结果研究了铺装层温度变化对钢桥面板两类焊接细节疲劳效应的影响特征。由于润扬大桥悬索桥疲劳分析模型计算单元数多且耗时大,首先利用模型参数敏感度分析方法确定钢桥面板疲劳效应简化分析模型中的敏感参数,然后利用敏感系数矩阵迭代法计算各个敏感参数的最优取值。在此基础上建立了带铺装层钢桥面板的疲劳效应简化分析模型,并考察了不同温度作用下两类典型焊接细节的疲劳效应。分析结果表明:1)两类焊接细节的日等效应力幅与钢桥面板温度存在较强的线性相关性;2)钢桥面板疲劳效应的简化分析模型为顺桥向支承在横隔板上、横桥向支承在顶板纵肋上的局部受力结构体系;3)带铺装层钢桥面板的疲劳分析方法能够准确计算车辆荷载和温度共同作用下焊接细节的疲劳效应。     

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。     

高速铁路系杆拱桥正交异性钢桥面构造研究

在高速铁路系杆拱桥设计中,正交异性钢桥面的构造设计是一个重要的环节。正交异性钢桥面纵向有U肋、板肋和纵梁,横向有大小横梁等组成,各个细部的设计将影响整体的应力分布,对于纵横梁体系设计国内研究较多,这里主要提出正交异性局部U肋构造改变,并且通过FEA有限元计算,改善横梁与纵肋连接处的受力情况。     

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。     

铁路钢桥环氧沥青柔性保护层在特种活载作用下的力学响应

随着铁路钢桥跨径的增大,铁路采用柔性保护层的研究受到重视。从铁路钢桥桥面系的结构组成及荷载传递特点出发,建立高速列车-轨道-环氧沥青柔性保护层-桥梁耦合体系有限元模型。通过典型铁路钢桥面系算例分析可见,保护层竖向位移、横向拉应力、纵向拉应力及钢板与保护层间剪应力峰值均出现在ZK特种活载中心作用于距横隔板1/4跨处(定义两横隔板之间距离为一跨);最大竖向位移发生在荷载作用的中心区域;最大横向拉应力出现在轨枕两侧以及纵肋上方对应的区域;钢板和保护层间最大纵向剪应力分布在荷载下方轨枕对应的保护层区域。此外,通过室内试验,验证环氧沥青柔性防水保护体系的抗拉和抗剪切强度满足理论分析结果和规范的要求。列车荷载作用下环氧沥青柔性防水保护层的力学响应及其分布规律,可为同类铁路钢桥桥面系保护层设计提供理论依据。     

密集横隔板UHPC箱梁锚固区局部承压性能研究

为获得密集横隔板UHPC箱梁"隔板连通式齿块"的局部承压受力特征及承载能力,该文以某拟建UHPC箱梁桥为工程背景,通过大吨位张拉试验及非线性有限元模型对UHPC箱梁锚固区进行了受力分析,得到了以下结论:UHPC锚固区局压开裂为UHPC的拉应力控制;"隔板连通式齿块"中"局部弯曲效应"和"径向力效应"均不显著,但"锚下劈裂效应"和"隔板弯曲效应"较为明显且为导致锚固区承载失效的重要因素;背景工程中尺寸小巧的"隔板连通式齿块"张拉到4700 kN时无开裂风险,采用25根钢绞线锚固同样能满足承载能力要求,可在实际工程中广泛采纳;UHPC锚固区的拉应变值即便进入到了拉伸应变硬化阶段锚固区仍能正常使用,为建造经济化在设计中可适当利用UHPC的拉伸应变硬化特征。此外,UHPC锚固区局压承载力基于不同承载力公式所得的计算结果差距较大（最大差值达到了40.9%）,其中基于Kim公式、《活性粉末混凝土结构技术规程》以及《超高性能混凝土结构设计技术规程》（征求意见稿）中局压承载力计算公式所得结果与FEA结果较为接近。     

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。     

Fatigue failure modes of rib-to-deck joints under the multiaxial stress states caused by various wheel loading characteristics

Orthotropic steel bridge decks (OSBDs) are characterized by overall structural asymmetries and severe local stress concentrations; meanwhile, complicated service loadings always cause relevant rib-to-3deck (RD) welded joints in multiaxial stress states. Under such circumstances, a full-scale OSBD model was established. Six loading cases were applied, and the multiaxial fatigue deviation was calculated to represent the multiaxial stress state of the bridge deck. Based on the effective traction structural stress method, the most unfavorable loading case for the failure mode of the RD joint under a multiaxial stress state was analyzed, and the failure mode transition in the process of wheel load movement was discussed. The results indicated that the fatigue failure mode of the RD joint was determined by the transverse loading locations. In-between-rib loading can cause the initiation of toe-rib cracks. Cracks are prone to occur under over-rib loading and riding-rib loading, and the arrangement of diaphragms can increase the risk that the fatigue crack originates from the weld root.     

运营状态斜拉桥考虑拉索涡激振动的钢锚箱疲劳实测研究

为研究桥面随机车流通行和拉索涡激振动共同加载下斜拉桥钢锚箱应力响应特征,评价钢锚箱构造细节的疲劳性能,在某大跨度斜拉桥上开展了拉索涡激振动的现场观测和钢锚箱构造细节的应力实测.采用雨流计数法获得了构造细节应力幅,并基于名义应力法评估了钢锚箱的疲劳性能.研究表明,斜拉索在无雨和较低风速下发生了高阶多模态涡激振动,来流风向...     

L形圆管节点的强度和刚度

L形圆管节点主要以受弯为主,不同于管桁架中的普通节点。采用简化理论方法对L形圆管节点的强度和刚度进行了分析,横向正应力的存在对节点域钢管具有“捏合”作用,从而降低了节点的刚度和承载能力,无加劲肋的L形管节点属于半刚性连接。影响横向正应力大小的主要因素是钢管的夹角、连接方法和构造措施。根据理论分析结果并结合工程实际提出了L形管节点的参考计算方法和设计建议,最后采用有限单元法对理论计算方法作了验证,取得了一致性的结论。     

Rib loading effects on weld root fatigue failure modes at rib‐to‐deck welded joint

The service life of orthotropic steel decks is dependent on the fatigue resistance of rib‐to‐deck welded joints, which is often tested using two kinds of experimental models in terms of the rib loading condition. Different weld root fatigue failure modes have been observed in the different models, but the role of rib loading remains unclear. This paper aims to clarify the effect of rib loadings on the weld root fatigue failure modes at rib‐to‐deck welded joints. The loadings are decomposed into the deck loadings and rib loadings according to the principle of superposition. Formulae of the weld root notch stress intensity factors and T‐stress under rib loadings are developed by multiparameter regression analysis and subsequently used for the local stress analysis. The fatigue failure modes determined from the local stress field agree well with the experimental results. The results reveal that the weld root failure modes depend on the rib loadings but are independent of the weld geometries. The averaged strain energy density (SED) that can capture both weld geometry and loading condition effects is used to correlate the fatigue test data of different weld root failure modes. The SED is capable of evaluating the fatigue strength of the rib‐to‐deck welded joint failed by different weld root failure modes with a narrow scatter band.     

聚氨酯-钢板夹层正交异性桥面板试验研究

通过2个不同纵向加劲肋间距的聚氨酯-钢板夹层结构正交异性三跨连续桥面板的钢箱梁模型试验,结合有限元计算分析方法建立多种加劲肋间距桥面板的钢箱梁计算模型进行计算对比,研究该种桥面板的受力性能,试验模型按实桥同种材料的箱梁缩小1/4制作,按汽车荷载在跨中及支点截面产生最大弯矩时测试截面各关键点的纵向、横向应变和挠度。结果表明:桥面板各点应变试验值与计算值基本吻合;采用聚氨酯-钢板夹层结构正交异性桥面板可大幅削减局部应力集中峰值,从而可大幅减少加劲肋数量,减少程度主要取决于夹层板厚度;板面有些部位要同时承受两个正交方向的反号应力;相应截面中间加劲肋底部纵向应力最大;夹层桥面板的应力和挠度随着芯层厚度减小,增幅加大。     

泰州大桥钢桥面铺装轮载谱研究

调研了江苏省内三座跨江大桥2007—2010年的交通量和交通荷载状况,利用轮载谱分析货车交通量和交通荷载状况,并推荐了江苏省内货车轮载和典型轮载比例;分析江苏省内三座跨江大桥的货车超载情况并给出了超载比例较大的车型。研究成果为泰州大桥钢桥面铺装设计研究提供了有力支持。