钢箱梁横隔板疲劳裂纹特征与实桥试验的轮载应力

弧形切口处横隔板母材开裂是正交异性桥面板钢箱梁常见的疲劳病害。因研究方法的局限性,对其疲劳机理尚缺乏公认的认识。对此,考察并给出了两个背景工程的横隔板疲劳裂纹特征;针对无裂纹横隔板,进行了现场多种纵横向移动布载工况的轮载试验及相应的FEA计算,给出了结果及其规律。研究表明：①横隔板母材开裂常出现在远离U肋的上起弧点附近;开裂后,裂纹两侧的横隔板常有平面外的错动;②远离U肋的上起弧点附近横隔板的轮载应力始终为压应力,且应力绝对值最大;与U肋交界附近横隔板的轮载应力始终为拉应力,应力值次之;③横隔板平面外弯曲变形引起的应力相对膜应力很小,特别是弧形切口周边的潜在起裂处,两表面应力差几乎为0;④横隔板母材起裂处的压应力方向与裂纹方向几乎垂直;⑤顶板厚16mm、U肋厚10mm的背景工程,紧邻横隔板的U肋轮载应力不超过22MPa,应力幅小,几乎无疲劳开裂风险;⑥弧形切口周边轮载应力的最不利纵向加载位置为纵向距该横隔板约1倍的U肋间距;稍远处轮载应力的最不利纵向加载位置为其正上方。     

纵肋-横隔板弧形切口应力响应的面外特征研究

为获得正交异性钢桥面板横隔板弧形切口母材在典型轮载作用下的应力响应的面外特征,开展了随机车流下正交异性钢桥面板弧形切口应力监测和分析。研究表明:一辆卡车通过横隔板弧形切口将产生与轴组数量对应的应力幅,其应力响应不能分辨轴组内单轴;在超载卡车作用下横隔板弧形切口将产生很大的应力响应,应力峰值可能会大于钢材的容许应力,而此时弧形切口处于双向受压状态,活载应力幅为压应力幅;研究同时发现,横隔板会受到面外弯曲作用,靠纵肋-横隔板焊缝下端越近,其面外变形越大,产生的面外应力越大。     

正交异性钢桥面板横隔板切口疲劳应力分析

以正交异性钢桥面板横隔板切口疲劳应力为研究对象,采用六种横隔板切口形式,以某钢箱梁桥为例,利用abaqus有限元分析软件分别建立三维板壳有限元模型。建模时对横隔板切口部位的网格进行细化,以确保计算结果足够精确。分析在最不利荷载作用下,横隔板切口部位产生的面内外应力对疲劳应力的影响。结果表明影响横隔板切口位置疲劳性能的主应力主要由面内应力决定的;日本采用的横隔板切口形式的切口尺寸最小,该细节受到到的面内应力最小,疲劳性能最好,为正交异性钢桥面板横隔板设计提供参考。     

横隔板缺口形式对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响研究

以梯形及矩形截面形状的纵向加劲肋组合3种缺口类型的横隔板,建立正交异性闭口加劲钢桥面板有限元实体模型进行加载,用ANSYS程序计算分析了横隔板不同缺口形式的正交异性钢桥面板力学性能、正交异性钢桥面板、纵肋、横隔板三者连接处的应力状态以及不同缺口形式的正交异性钢桥面板疲劳性能,研究了横隔板缺口形式对正交异性钢桥面板静力力学性能以及疲劳性能的影响。     

轻型组合桥面板球扁钢纵肋-横隔板连接细节局部应力分析

为降低正交异性钢桥面板疲劳开裂的风险,提出带球扁钢纵肋的轻型组合桥面板方案。以洞庭湖二桥轻型组合桥面板为工程背景,建立钢桁梁局部有限元模型和球扁纵肋-横隔板连接细节的子模型,并基于热点应力法,对横隔板上开孔孔型和厚度进行了参数分析。研究表明：球扁纵肋-横隔板连接处3个典型疲劳细节的疲劳性能受横隔板厚度影响显著|综合比较,苹果型开孔的疲劳性能最优。为进一步验证轻型组合桥面板的球扁钢纵肋-横隔板连接处3个细节的疲劳性能,开展了足尺模型疲劳试验,试验模型采用16mm厚带苹果型开孔的横隔板设计。疲劳试验中,控制细节（横隔板切口自由边缘）的应力幅为90.6MPa,历经250万次循环加载后,试验模型中典型疲劳细节均未出现疲劳裂纹。这表明,带球扁钢纵肋的轻型组合桥面板关键细节的疲劳性能良好,能满足洞庭湖二桥的工程要求。     

大尺寸纵肋顶板-U肋构造细节的受力分析

为研究正交异性钢桥面板横隔板无外切口大尺寸U肋-顶板焊接构造细节的疲劳性能,建立有限元模型,计算得到该构造细节在轮载作用下的应力随轮载位置变化的规律和相应应力幅,并与传统尺寸正交异性钢桥面板的受力情况进行对比。研究表明:大尺寸U肋正交异性钢桥面板的应力影响线较长,受力性能与传统正交异性钢桥面板有差别;当轮载作用在U肋上方面板的面积越多时,构造细节的应力越大;构造细节面板处的面外弯曲应力较大,而U肋腹板处的面外应力很小。     

正交异性钢桥面板U形肋与横隔板连接处弧形缺口几何参数优化研究

纵肋与横肋交叉连接处弧形缺口的疲劳裂纹是钢箱梁正交异性钢桥面板最典型的疲劳裂纹之一。该部位受力复杂,欧洲、日本和美国规范基于不同的侧重点,针对该构造细节的设计建议差别较大。通过精细化的有限元计算,对钢箱梁正交异性钢桥面板U形肋与横隔板交叉连接部位横隔板腹板上弧形缺口的形状、弧形缺口高度等进行参数分析,比较横隔板腹板上弧形缺口构造细节的合理性,选定最优设计几何参数。     

正交异性钢桥面板受力特征研究

论述正交异性钢桥面板的结构受力特点,对易出现裂纹的构造受力情况进行分析。通过ANSYS有限元软件,分别对公路正交异性桥面和铁路正交异性桥面建立模型,在移动荷载作用下,对桥面的竖向变形、横隔板部位的面外变形,以及U肋与腹板交叉部位构造的应力变化规律进行分析。研究结果表明:弧形缺口处面外和面内的变形、U肋与面板、U肋与横隔板交叉焊缝的起焊点和弧形缺口部位的最小净截面处的应力是引起正交异性板疲劳的主要因素,其主要受相邻2个横隔板范围内荷载的影响;荷载在桥宽方向只影响与其相邻(左右两侧)的两个U肋的肋角应力。     

螺栓加强板对横隔板弧形切口的加固研究

为研究螺栓加强板对横隔板弧形切口的加固作用,通过现场监测随机车流下加固前和加固后的弧形切口的应力响应,获得了加固前和加固后的弧形切口应力谱。基于等效损伤原则获得加固前、后弧形切口构造细节的等效应力幅和加载次数,结合AASHTO规范开展了加固前、后弧形切口构造细节的疲劳评价。研究表明:横隔板弧形切口主要受面内应力影响,螺栓加强板增加了横隔板的厚度,明显降低了弧形切口的应力水平,横隔板厚度过薄是导致该桥弧形切口疲劳开裂的原因,螺栓加强板可以改善弧形切口的疲劳性能。     

钢桥面横隔板弧形切口维修加固与寿命评估

正交异性钢桥面板弧形切口在使用中经常发生开裂,不合理的弧形切口设计导致的应力集中是产生疲劳开裂的主要原因。热切割改进弧形切口能有效地降低横隔板所受车载应力,但过程中会产生高水平的残余应力影响疲劳寿命。为此,提出了热维护+冷维护的疲劳维护方案,以热切割优化改进切口,并在纵肋与横隔板连接处粘贴钢板加固。采用ABAQUS软件建立钢箱梁节段模型计算维护前后车载应力,开展热切割残余应力测试试验,并通过数值模拟分析热切割弧形切口切向残余应力分布规律,基于钢材的本构模型对车载应力与热切割残余应力进行耦合,结合实测交通数据、采用线疲劳累计损伤理论计算了考虑热切割残余应力影响的弧形切口疲劳寿命,并对比分析了不同维护方案的效果。结果表明：采用热切割改进弧形切口后可明显改善应力集中问题,车辆荷载作用下的压应力峰值降低50%;但改进弧形切口会产生高水平的残余应力,显著影响其疲劳性能,疲劳寿命仅为67.75年,低于桥梁设计使用寿命;在改进切口上粘贴钢板进行冷维护,可进一步减小弧形切口的车载应力峰值,双面粘贴10mm钢板应力峰值降低79%,并显著增加其疲劳寿命;当采用相同厚度的补强钢板时,单面粘贴的疲劳维护效果优...     

正交异性钢桥面板横隔板切口疲劳应力幅分析

建立全桥模型和简化的钢桥面板局部节段模型,通过子模型法插值得到横隔板疲劳细节模型的边界条件,计算不同车轮横向分布对应的疲劳细节局部应力,研究横隔板参数变化对横隔板疲劳细节损伤的影响。结果表明:混合单元模型与钢桥面板简化模型对应的应力幅相差小于5.0%,采用钢桥面板简化模型分析横隔板疲劳细节受力简单合理。横隔板疲劳细节在车轮偏离中心位置150 mm时应力幅最大,随着车轮偏离中心位置距离的增大,应力幅下降明显。横隔板间距增大,横隔板疲劳细节应力幅上升,增加横隔板厚度可有效改善其疲劳受力性状。     

Fatigue life estimates for a slender orthotropic steel deck

Fatigue cracks in several types of welded joints and geometrical details have been reported to occur in a large number of slender orthotropic decks of existing steel bridges in many parts of the world. Some of these cracks are initiated very early, a few years after the bridge is brought into service. That is why it is said that fatigue life estimation for the welded joints of orthotropic decks is not an easy designing task. This is so because the random variation of local stresses is sensitive to many factors, in particular to those involved in the dynamic interaction between the vehicle’s tyres, the pavement and the steel structure.This paper presents and discusses the main causes for the observed cracks and the outcome of the ultimate fatigue life estimates for typical welded and geometrical details of a slender orthotropic deck with trapezoidal cross-section longitudinal ribs. This is the deck of an existing long-span steel bridge, which has been strengthened by adding a reinforced concrete layer fixed with shear studs to the steel deck top plate. This was done to avoid continued and extensive repair work and to enhance the fatigue life expectancy of the steel deck structure. The fatigue life estimation is done with the aid of refined numerical modelling and in situ experimental strain measurements and also by taking into account all the built-in structural alterations, changes in volume of traffic and in vehicles loading which have occurred during this bridge’s 32 years of service life.     

Stress concentration in steel bridge orthotropic decks

The structural behaviour of orthotropic steel decks is characterized by the complex interaction between its components (deck plate, ribs and floorbeams) and also by the interaction between the structure, the pavement and the vehicle’s wheels tyres. Stress concentration resulting from out-of-plane bending of deck components at typical welded joints can make these structures quite susceptible to traffic-induced fatigue cracks. This paper addresses some of these issues through numerical modeling of orthotropic decks with trapezoidal closed ribs, via finite element method and elastic analysis of the structure under heavy vehicle wheel loading. The numerical model was calibrated with experimental results obtained from laboratory tests on a deck model. The obtained numerical results lead to a better understanding of the complex structural behaviour of slender orthotropic decks, with emphasis on the stress distribution and concentration at the rib to deck plate welded connection. A parametric analysis was performed to determine possible and rational combinations of the geometric parameters leading to the lowest values of stress peaks and the best consequent fatigue performance of the focused welded connection. Hence, the overall output can be addressed towards a safe and rational design as far as fatigue life is concerned.     

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,...     

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...     

大跨径钢桥面铺装体系多目标优化设计

将大跨径钢桥的正交异性钢桥面和其上的铺装层作为钢桥面铺装体系整体进行多目标优化设计。取大跨径钢桥面铺装体系造价及铺装层表面极限应力最小化两类指标构造目标函数,在此基础上建立多目标优化设计的数学模型。采用评价函数中的线性加权和法进行求解,开发了钢桥面铺装体系结构多目标优化设计程序,以国内某大跨径钢桥为对象,采用多目标优化设计方法,给出钢桥面铺装体系中各参数的合理界限。应用国际通用有限元软件SPA93程序对其进行验证,结果表明,应用多目标优化设计方法对大跨径钢桥面铺装体系设计是可行的。研究成果可为大跨径钢桥面铺装体系结构的设计提供理论依据。     

正交异性钢桥面铺装层疲劳寿命的断裂力学分析

计算和分析正交异性钢桥面铺装层表面裂缝应力强度因子,在此基础上应用Paris扩展公式预测铺装层疲劳寿命。将奇异单元布置在铺装层表面裂缝前沿,建立正交异性钢桥面系三维断裂力学有限元模型,计算铺装层表面裂缝的应力强度因子;分析裂缝应力强度因子随轴载作用位置的变化规律,确定了带裂缝铺装层轴载作用的最不利荷位;以最不利荷位作为轴载作用的标准荷位,计算应力强度因子随裂缝扩展深度的变化,并数值拟合得到了应力强度因子与裂缝深度的关系式;将应力强度因子的深度关系式代入Paris公式,积分得到铺装层的疲劳寿命。计算结果表明,基于钢桥面铺装层带裂缝工作的事实,应用断裂力学方法预测钢桥面铺装层疲劳寿命是可行的。     

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。