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。     

连续钢箱梁桥面铺装层结构应力分析

正交异性钢桥面的构造复杂,用理论算法对铺装层进行力学计算,较难得到精确的计算结果。本文利用有限元通用软件对曲线钢箱梁桥浇筑式沥青铺装层进行受力分析,将正交异性钢桥面板、铺装层作为整体,建立有限元模型,研究铺装层受力变形特点。根据钢桥面铺装层常出现的病害,并结合超载及刹车产生的水平荷载对铺装层受力的影响,提出相应的桥面铺装层破坏的综合控制指标。     

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。     

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。     

正交异性钢桥面疲劳开裂研究

正交异性钢桥面板的钢结构桥梁在车辆荷载作用下易出现疲劳开裂,为了解决这一问题,该文采用在正交异性钢桥面板上设置薄层RPC(Reactive-Powder-Concrete)超高性能混凝土层,将钢桥面转变成组合桥面,从而提高了桥面刚度,能有效改善结构受力状态,且不会增加桥梁上恒载重量。通过对某大桥的计算分析表明:采用组合桥面后,车辆荷载作用下的钢桥面应力大幅度下降。钢桥面疲劳敏感点处的拉应力降幅达到71.32%~72.39%,大幅度的提高了钢桥面的抗疲劳寿命;薄层RPC面板的高强度和高韧性,完全能满足组合桥面的最大拉应力10.08MPa的强度要求,成为钢桥面上的永久结构层,可以大幅度降低钢桥面板的开裂风险。     

钢-STC轻型组合桥面大跨径钢箱梁步行廊桥结构分析

步行廊桥布孔形式为(58.6+110+58.6)m,上部结构为变截面连续钢箱梁,采用钢-STC轻型组合桥面结构。用有限元软件建立桥梁空间模型对其进行了整体分析;并建立局部模型研究钢-STC轻型组合桥面结构对正交异性钢桥面板应力的影响。结果表明该桥强度刚度均满足规范要求,钢-STC轻型组合桥面结构可以提高桥面板局部刚度,且可减少桥面板应力,应力降幅约23.2%～40.5%,为类似的梁桥设计提供参考依据。     

复合浇筑式沥青钢桥面铺装层力学计算

钢桥面铺装的病害在大跨径桥梁上仍然很常见,钢桥面铺装已经成为制约大跨径桥梁发展的一个难题。本文采用有限元法对复合浇筑式沥青铺装层进行受力分析,将正交异性钢桥面板、铺装层作为整体,建立有限元模型,研究铺装层在行车荷载作用下的应力、应变规律。     

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。     

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。     

钢桥面铺装用环氧沥青相容性研究进展

环氧沥青是一类具有优异高温、低温及耐疲劳性能的正交异性钢桥面铺装材料.由于石油沥青在溶解度参数、介电常数、密度等方面均与环氧树脂有较大差异,因此解决石油沥青与环氧树脂间的相容性问题是实现高性能钢桥面铺装用环氧沥青国产化制备的前提.本文从对沥青进行顺酐化改性、选择与沥青相容性好的固化剂以及添加增容剂三个方面综述了近年来环氧沥青相容性的研究现状,最后指出了环氧沥青钢桥面铺装中存在的问题并进一步明确了下一阶段应在耐疲劳性、耐候性以及施工便易性等方面提升环氧沥青的综合性能.     

钢桥面铺装用环氧沥青相容性研究进展

环氧沥青是一类具有优异高温、低温及耐疲劳性能的正交异性钢桥面铺装材料。由于石油沥青在溶解度参数、介电常数、密度等方面均与环氧树脂有较大差异,因此解决石油沥青与环氧树脂间的相容性问题是实现高性能钢桥面铺装用环氧沥青国产化制备的前提。本文从对沥青进行顺酐化改性、选择与沥青相容性好的固化剂以及添加增容剂三个方面综述了近年来环氧沥青相容性的研究现状,最后指出了环氧沥青钢桥面铺装中存在的问题并进一步明确了下一阶段应在耐疲劳性、耐候性以及施工便易性等方面提升环氧沥青的综合性能。     

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。     

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。     

多肋式梁桥模态参数分解识别与试验研究

针对现役大量的多肋式钢筋混凝土板梁和T梁桥在横、纵桥向表现出的明显正交异性构造特征,将多肋梁等效成比拟正交异性板,应用动力分析有限条方法,建立起系统自由振动数值模型,从而实现整桥模态参数向单肋梁的分解和识别。根据模型试验桥从完整到破坏不同荷载等级作用下室内动力试验成果,选取能够反映钢筋混凝土梁振动响应特性的截面等效动刚度作为目标参数进行预测。通过对结果规律对比分析,验证了本方法在该类桥梁结构检测评估中应用的可行性和高效性。     

西溪河栈桥及钻孔平台施工技术方案

栈桥桥面纵向设计为平坡,按单向行车道设计,桥面宽6.0m,因栈桥较短,栈桥上不设会车道,过往车辆均在栈桥外会车。栈桥及钻孔平台桥面系结构为厂制正交异性板。本文对栈桥、钻孔平台施工安全技术方案进行了分析。     

钢箱梁桥面板爆炸冲击响应数值模拟研究

大跨度缆索承重桥梁遭受恐怖爆炸袭击的风险比一般桥梁大。运用LS-DYNA非线性有限元软件,研究了箱包炸弹和小轿车炸弹（TNT当量10kg-500kg）桥面爆炸冲击作用下缆索承重桥梁钢箱梁正交异性桥面板的塑性变形、开裂与破口及耗能。结果表明：桥面板的主要耗能机制为盖板和加劲肋的塑性变形耗能,占爆炸输入能量的70%以上;加劲肋和横隔板对桥面板破口有约束作用,TNT当量为300kg-500kg时,纵桥向破口尺寸小于等于横隔板间距,并小于横桥向破口尺寸     

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。     

大跨度公铁两用斜拉桥车桥动力分析

以某公铁两用斜拉桥为研究对象，借助空间杆系有限元方法，用等效格子梁来模拟公路与铁路正交异性板钢桥面，建立了公铁两用斜拉桥的动力分析模型；分别用自编的桥梁动力分析程序BDAP及通用软件SAP93计算了该斜拉桥的空间自振特性，两者取得较好的一致。最后，采用所建立的桥梁动力分析模型。对其在高速ICE列车作用下的车桥空间耦合振动进行了计算与分析。     

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。