正交异性板钢桥面的设计计算

本文对正交异性板钢桥面的合理设计计算进行探讨。（１）研究分析国内外桥梁中正交异性板钢桥面设计的计算；（２）结合我国桥梁荷载轴重及其加载原则，应用有限条方法，建立适当的位移函数，把荷载用Ｆｏｕｒｉｅｒ级数表示，求解其恒载和活载效应；（３）将有限条方法对悬索桥正交异性板钢桥面进行计算分析的结果与Ｐｅｌｉｋａｎ－Ｅｓｓｌｉｎｇｅｒ方法计算结果进行了比较。     

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。     

钢箱梁正交异性桥面板疲劳评估全空间S-N曲线研究

全空间S-N曲线是利用时序准则进行钢箱梁正交异性桥面板疲劳评估的基础。首先基于钢桥设计规范给出的有限疲劳寿命区S-N曲线,从理论上推导了覆盖低周疲劳寿命区、有限疲劳寿命区和高周疲劳寿命区的一般全空间S-N曲线模型。进一步针对小型汽车和日常风等荷载引起的低水平应力幅以及地震和强风等荷载引起的高水平应力幅,引入高周疲劳损伤累积因子和低周疲劳强度调整因子分别对低水平应力幅和高水平应力幅造成的疲劳损伤进行计算,提出一种适用于钢箱梁正交异性桥面板疲劳评估的全空间S-N曲线模型。在此基础上对模型参数的几何意义进行了解释。最后采用正交异性桥面板顶板-U肋疲劳试验数据对模型参数进行了估计,得到了具有最佳拟合度的全空间S-N曲线和具有99%保证率的疲劳评估全空间S-N曲线。研究结果表明,该文提出的全空间S-N曲线模型能准确描述钢箱梁正交异性桥面板在各种应力幅下的疲劳损伤累积特性。研究结果可为钢箱梁正交异性桥面板的疲劳评估奠定基础。     

正交异性钢桥面板疲劳裂纹扩展机理及数值模拟研究

为追踪正交异性钢桥面板的疲劳裂纹扩展过程及通用的正交异性板钢桥抗疲劳设计与开裂加固提供理论指导,提出基于实桥有限元模型进行正交异性钢桥面板疲劳裂纹扩展模拟方法及流程。建立桥梁整体有限元模型进行恒活载作用下整体分析,结合实桥调查结果确定全桥疲劳关键部位;建立含焊接细节的疲劳关键部位精细化模型进行疲劳应力幅分析,并基于车桥耦合振动分析考虑冲击系数对应力幅影响,确定裂纹扩展方向、路径及寿命,进行疲劳裂纹扩展全过程分析;以既有大跨度斜拉桥正交异性桥面板疲劳裂纹扩展分析为例,验证该方法与计算流程的可行性、准确性,并为该桥运营期疲劳失效维修、加固提供理论依据。     

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。     

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。     

考虑变量相关性的正交异性板细节疲劳可靠性评估

传统的疲劳可靠性评估方法忽略了功能函数中变量的相关性,致使计算得到疲劳可靠度指标精度降低。针对这一问题,基于既有悬索桥主梁细节应变和环境温度大样本监测数据,讨论疲劳功能函数变量之间的相关性关系。提出基于Copula函数的相关性变量的联合分布模型,解决联合概率分布建模中多重积分求解困难的问题。研究表明,受环境温度的影响,靠近顶板焊接细节的日等效应力幅和应力循环次数存在较强的相关性,Gaussian Copula函数可作为相关性变量的最优连接函数,对于U肋-顶板细节,桥梁结构服役100年时,考虑与不考虑变量相关性的可靠度指标值分别5.3和6.9,两者之间相差约1.3倍。当年交通增长率分别等于3%和5%时,可靠度指标在服役年限为94.6年和67.1年时间到达目标可靠度指标。对于U肋-U肋对接细节,考虑和不考虑变量的相关性对可靠性指标影响相对顶板细节较小。     

正交异性桥面板焊接变形预测

本文应用低合金钢固有应变规律的研究成果,采用大型通用有限元分析软件ANSYS对大型正交异性桥面板的焊接变形进行数值模拟,并对焊接残余变形结果进行分析,为制定焊接方案提供可靠依据。     

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。     

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。     

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。     

钢板-混凝土组合桥面板疲劳性能试验研究

为研究钢板-混凝土组合桥面板在疲劳荷载下的受力性能,该文完成了10块钢板-混凝土组合桥面板试件的等幅疲劳试验研究。试验主要考察栓钉布置、开孔钢板连接件数量及疲劳荷载幅值等3个因素对组合桥板的疲劳破坏模式及疲劳损伤程度的影响。试验过程中对组合桥面板各个主要时刻的动挠度、混凝土应变、底部钢板应变、残余挠度及剩余承载力进行测...     

WNQ570桥梁钢及其对接焊缝疲劳裂纹扩展性能试验研究

对WNQ570桥梁钢及其对接焊缝进行了疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹扩展门槛值测定试验,采用两种不同数据拟合方法分别得到具有95%保证率的疲劳裂纹扩展参数。结果表明：本批次的WNQ570钢材具有良好的疲劳裂纹扩展性能,其中对接焊缝疲劳裂纹扩展速率高于母材;在应力强度因子幅值处于10 MPa·m^1/2～70 MPa·m^1/2的常规区间时,基于单试件数据点的处理结果对应的裂纹扩展速率明显高于基于成组数据点的处理结果;WNQ570的疲劳裂纹扩展速率随应力比增加而增加,疲劳裂纹扩展门槛值随应力比增加而降低。     

基于平钢板连接件的钢-RPC组合桥面板抗剪试验研究

该文提出了采用平钢板剪力连接件连接的钢-RPC组合桥面板结构,该结构不仅能解决公路钢桥沥青铺装层的病害,还能有效地提高桥面横向刚度,有助于缓解U肋加劲处应力集中和疲劳开裂现象。为了掌握该组合结构界面抗剪性能,连接件板厚分别取10 mm和4 mm,进行了两组平钢板连接件的推出试验,试验考察了平钢板连接件厚度对抗剪破坏形态及承载力的影响。结果表明：平钢板厚度较小时,表现为平钢板连接件根部受拉屈服;厚度较大时表现为连接件附近混凝土被压碎,工作机理类似于型钢连接件。10 mm板厚连接件相比4 mm板厚抗剪承载力提高了43.6%,抗剪刚度提高了35%,同时延性略有下降,但两组试件的延性系数均大于3.5。最后给出了平钢板连接件的抗剪承载力简化计算公式,计算结果相比试验结果偏于安全,可供设计参考。     

14MnNbq焊接桥梁钢的疲劳裂纹扩展行为研究

该文系统地研究了14MnNbq桥梁钢焊接热影响区的疲劳裂纹扩展行为。首先,由中心穿透裂纹(MT)试样疲劳裂纹扩展试验,获得了不同应力比R下的疲劳裂纹扩展速率和门槛值;然后考察了应力比R的影响,给出了适于不同应力比的疲劳裂纹扩展速率和门槛值的一般表达式;最后提出了一种由疲劳裂纹扩展门槛值▽Kth确定闭合参数U的新方法,将控制疲劳裂纹扩展的有效应力强度因子幅度写为▽Keff=▽K-▽Kth,由此讨论闭合参数U的确定方法。研究结果表明:对于14MnNbq焊接桥梁钢,该文给出的疲劳裂纹扩展速率表达式与试验结果符合得相当好。     

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。     

低温环境下桥梁钢Q345qD疲劳裂纹扩展行为研究

为了明确在寒冷地区服役桥梁钢的疲劳裂纹扩展行为,以16 mm厚桥梁钢Q345qD为研究对象,完成了室温和低温下的夏比冲击韧性试验、疲劳裂纹扩展速率试验和疲劳裂纹扩展门槛值试验。结果表明,夏比冲击功和试样断口剪切断面率随温度的降低而减少;在应力比0.1、0.2和0.5条件下,疲劳裂纹扩展速率均随温度降低而变缓,该桥梁钢的疲劳韧-脆转变温度点在-60℃以下;在室温~-60℃,其裂纹扩展速率均对应力比的变化不敏感;应力比0.1条件下的疲劳裂纹扩展门槛值随温度的降低有略微增大的趋势。该批次桥梁钢表现出了良好的抵抗低温疲劳裂纹扩展性能,防止低温脆性破坏成为疲劳设计的重点;试验数据能为钢结构桥梁的进一步抗低温疲劳和防低温冷脆断裂设计提供参考。