带过焊孔焊接细节疲劳性能优化及试验研究

为了提高带过焊孔焊接细节的疲劳寿命,以某钢桁梁桥为背景,针对其翼缘板和斜腹杆的焊接构造,通过在过焊孔处填半圆弧板和焊缝错开的形式对其疲劳性能进行优化,制作带过焊孔焊接细节和优化模型的试件,进行疲劳试验测试其疲劳寿命,并结合有限元分析对比各模型的疲劳性能,验证优化措施对疲劳性能的改善效果。结果表明:在过焊孔处填半圆弧板可有效改善带过焊孔焊接细节的局部应力集中现象,提高其疲劳寿命,在高应力幅作用时效果更加显著;对接焊缝错开可显著提高带过焊孔焊接细节的疲劳寿命,其改善效果优于在过焊孔处填半圆弧板,在实际工程结构中推荐优先采用。     

纵肋与顶板新型双面焊构造细节疲劳性能研究

正交异性钢桥面板疲劳开裂问题突出,其中纵肋与顶板传统单面焊构造细节疲劳开裂危害严重,为提升其疲劳性能,通过引入最新自动化焊接技术发展了纵肋与顶板新型双面焊构造细节。为明确其疲劳性能的关键问题,基于等效结构应力法进行了研究：首先对纵肋与顶板新型双面焊构造细节各疲劳失效模式的等效结构应力影响面进行深入分析,确定了构造细节的主导疲劳失效模式;在此基础上,研究了熔透率和焊缝几何尺寸对其疲劳性能的影响。研究结果表明：在纵向移动轮载作用下,纵肋与顶板新型双面焊构造细节的主导疲劳失效模式为顶板外侧焊趾起裂并沿顶板厚度方向扩展;对于该主导疲劳失效模式和焊趾起裂各疲劳失效模式,熔透率的影响不显著;对焊根起裂各疲劳失效模式而言,熔透率是关键影响因素,随着熔透率的增加焊根起裂各疲劳失效模式的等效结构应力幅值呈降低趋势,当熔透率达到75%时,其等效结构应力幅值均处于较低水平,此时纵肋与顶板新型双面焊构造细节的疲劳性能主要由焊趾起裂的各疲劳失效模式所控制;焊脚尺寸是纵肋与顶板新型双面焊构造细节疲劳抗力的另一关键影响因素,适当增大焊脚尺寸可有效降低焊趾起裂疲劳失效模式的等效结构应力幅值,进而提升焊趾起裂疲劳失效模式的疲劳性能。     

高疲劳抗力钢桥面板的疲劳问题Ⅱ：结构体系抗力

为了深刻认识高疲劳抗力钢桥面板的疲劳特性，准确评估其结构体系的疲劳抗力，基于等效结构应力建立了考虑焊接微裂纹对钢桥面板疲劳性能劣化效应的结构体系疲劳抗力评估方法，并通过疲劳试验对所建立的评估方法进行了验证。在此基础上采用所建立的结构体系疲劳抗力评估方法对高疲劳抗力钢桥面板的疲劳开裂模式、疲劳抗力及其影响因素等相关关键问题进行系统研究。研究结果表明：焊接微裂纹的存在会显著降低钢桥面板的疲劳性能，导致主导疲劳开裂模式发生迁移；结构体系设计参数对纵肋与顶板双面焊构造细节和纵肋与横隔板新型交叉构造细节疲劳性能的影响有显著区别，其中纵肋与顶板双面焊构造细节的疲劳性能主要对顶板厚度的变化较为敏感，其疲劳性能随着顶板厚度的增加而显著提升，而纵肋与横隔板新型交叉构造细节的疲劳性能同时受多个参数的影响，其疲劳性能随着顶板厚度、横隔板厚度和纵肋高度的增大而提升，随着横隔板间距和纵肋底板与横隔板之间焊缝长度的增大而降低；传统钢桥面板的主导疲劳开裂模式为纵肋腹板与横隔板交叉构造细节围焊焊趾开裂，高疲劳抗力钢桥面板的主导疲劳开裂模式为纵肋底板与横隔板交叉构造细节纵肋焊趾开裂；相对于传统正交异性钢桥面板，高疲劳抗力钢桥面板结构实现了主导疲劳开裂模式的迁移，疲劳性能显著提高。     

纵肋与顶板新型双面焊构造细节的疲劳强度问题

钢桥面板的疲劳问题是制约钢结构桥梁可持续发展的关键难题,纵肋与顶板传统单面焊构造细节是控制钢桥面板疲劳性能、疲劳开裂危害最为严重的易损构造细节。以中国自主研发的纵肋与顶板新型双面焊构造细节为研究对象,研发了钢桥面板纵肋与顶板构造细节疲劳试验装置,参照近期中国典型重大工程的钢桥面板结构设计参数,在系统对比分析研究的基础上,设计12个构造细节疲劳试验模型和5个节段疲劳试验模型,通过疲劳破坏试验确定了纵肋与顶板新型双面焊构造细节的主导疲劳开裂模式和疲劳强度,探究了影响其疲劳性能的关键因素。研究结果表明:纵肋与顶板新型双面焊构造细节的疲劳强度显著高于纵肋与顶板传统单面焊构造细节,等效结构应力适用于纵肋与顶板新型双面焊构造细节的疲劳性能评估;实际熔透率不低于75%时多种焊接工艺条件下纵肋与顶板新型双面焊构造细节的主导疲劳开裂模式均为疲劳裂纹在顶板焊趾产生,并沿顶板板厚方向扩展,其名义应力疲劳强度高于90 MPa,等效结构应力疲劳强度高于100 MPa;制造缺欠是影响纵肋与顶板新型双面焊构造细节疲劳性能的关键因素;所研发的试验装置可通过构造细节模型实现对实际钢桥面板中纵肋与顶板焊接构造细节的准确模拟,准确获得纵肋与顶板构造细节疲劳性能。研究成果可为该长寿命新型构造细节的抗疲劳设计和工程实践提供依据。     

高疲劳抗力钢桥面板的疲劳问题Ⅰ：模型试验

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的正交异性钢桥面板。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2类构造细节，提出了一种高疲劳抗力钢桥面板，设计了2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的疲劳开裂模式和疲劳性能，采用扫描电子显微镜（SEM）确定了单面焊构造细节焊根和双面焊构造细节焊趾的初始微裂纹尺度；研究了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。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，其疲劳强度为98.7 MPa，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，其疲劳强度为123.2 MPa；传统单面焊构造细节焊根的初始微裂纹尺度显著大于新型双面焊构造细节焊趾的初始微裂纹尺度，初始微裂纹尺度的差异是2种开裂模式的疲劳抗力存在显著差异的主要原因；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，2类构造细节的起裂次数基本一致，但新型交叉构造细节的疲劳裂纹扩展速率远低于传统构造细节；相同加载条件下，高疲劳抗力钢桥面板结构体系的疲劳寿命显著优于传统钢桥面板结构体系。     

新型镦边纵肋与顶板焊接构造细节疲劳性能试验（双语出版）

为了提高正交异性钢桥面板纵肋与顶板焊接构造细节的疲劳性能,提出了一种新型镦边纵肋与顶板连接构造细节,该构造细节通过局部镦厚与顶板连接部位的纵肋腹板,增大连接焊缝截面尺寸和局部刚度,从而减小该焊缝连接部位的应力集中程度,以实现提高纵肋与顶板焊接构造细节的疲劳性能的目的。作为一种新型焊接构造细节,其实际疲劳破坏模式和疲劳抗力均有待研究确定,为验证这一新型构造细节在改善纵肋与顶板焊接构造细节疲劳性能方面的有效性并确定其实际疲劳破坏模式和疲劳抗力,设计2组共7个足尺节段模型进行疲劳试验,对新型镦边纵肋与顶板焊接构造细节和传统纵肋与顶板焊接构造细节进行对比试验和理论研究。研究结果表明：控制2类构造细节的主导疲劳破坏模式均为萌生于焊根、沿顶板开裂的疲劳破坏模式;该疲劳破坏模式下新型镦边纵肋与顶板焊接构造细节和传统纵肋与顶板焊接构造细节的疲劳性能基本一致,新型镦边纵肋与顶板焊接构造细节对于该疲劳破坏模式下的实际疲劳性能无明显的改善效果;切口应力法适用于该构造细节焊根的疲劳性能评估,从便于工程应用的角度考虑,距离顶板焊趾5 mm处的应力值亦可作为纵肋与顶板焊接细节疲劳性能评估的依据。     

钢桁梁整体焊接节点疲劳性能模型试验

整体焊接节点钢桁梁具有广阔的应用前景,其疲劳性能由整体焊接节点所决定。以长清黄河大桥为研究对象,通过理论分析和两尺度疲劳破坏试验对钢桁梁整体焊接节点的疲劳性能进行了研究。首先通过全桥杆件内力分析和多尺度疲劳损伤分析确定了控制主桁疲劳性能的整体焊接节点位置及其控制构造细节;在此基础上设计了2类共21个试验模型,其中包括20个构造细节试样模型和1个足尺节段模型,进行了疲劳破坏试验,确定了整体焊接节点控制构造细节的主导疲劳开裂模式、应力集中系数和疲劳强度。研究结果表明：节点顶板、横梁上翼缘与节点板熔透对接焊连接细节是整体焊接节点疲劳性能的控制构造细节,其主导疲劳开裂模式为从节点板焊趾起裂并沿板厚扩展;实际受力模式下,控制构造细节中节点板焊趾应力集中系数为1.163,横梁上翼缘焊趾应力集中系数为1.789;2类试验模型的宏观疲劳裂纹起裂寿命均占总疲劳寿命的75%以上,故将2类试验模型的疲劳失效判据统一定义为出现宏观疲劳裂纹;基于此,2类试验模型所得到的控制构造细节疲劳强度等级基本一致;控制构造细节2种开裂模式名义应力疲劳强度等级均建议采用公路钢结构桥梁设计规范中的FAT80,热点应力疲劳强度均建议采用欧规中的FAT90。     

正交异性钢桥面板U肋内焊技术

为提高正交异性钢桥面板U肋与钢桥面板连接焊缝的疲劳耐久性,开发了正交异性钢桥面板U肋内焊技术,通过龙门焊接平台驱动连杆,将6台内焊机器人送入6根U肋内部同时进行12条内侧角焊缝的焊接。解决了U肋内焊设备、工艺、检测、返修等方面的关键技术,实现U肋内焊的可靠、优质、高效焊接。U肋内焊技术将U肋与钢桥面板之间的连接焊缝由单面角焊缝改变为双面角焊缝形式,从根本上改善U肋焊缝焊根处应力集中问题,避免从焊缝焊根处产生疲劳裂纹,同时大幅提高桥面板焊趾处疲劳性能,正交异性钢桥面板U肋内焊技术成功应用于武汉沌口长江公路大桥工程中。此外,结合U肋内焊技术,提出了U肋与横隔板交叉处新构造方案,以期全面提升正交异性钢桥面板疲劳耐久性。     

局部构造对钢箱梁关键焊缝疲劳性能的影响分析

为给车辆荷载作用下钢箱梁的抗疲劳设计提供依据,对钢箱梁局部构造对其关键焊缝疲劳性能的影响进行研究。采用有限元方法计算了钢箱梁焊缝在单轮移动荷载下的应力曲线,在此基础上分析了纵向加强桁架对钢箱梁关键焊缝疲劳应力范围和疲劳损伤的影响。计算、分析表明,纵向加强桁架增大了钢箱梁临近区域顶板的竖向刚度,并改变了其临近焊缝细节的受力状态,这使得纵向加强桁架附近焊缝的疲劳应力和疲劳损伤远小于相同位置无纵向加强桁架的钢箱梁焊缝的值;局部构造差异对钢箱梁桥面关键焊缝疲劳性能的影响明显,在钢箱梁抗疲劳设计中应予以考虑。     

钢桥面板U肋与顶板双面焊连接疲劳性能研究

为确定钢桥面板U肋与顶板双面焊连接相比单面焊连接疲劳性能的改善效果,以某实桥正交异性钢桥面板节段为对象,采用ANSYS软件建立有限元模型,计算不同工况下各疲劳易损部位的切口应力幅,并分析双面焊连接疲劳性能的影响因素。结果表明:U肋与顶板双面焊连接的最大切口应力幅比单面焊时减小19.1%,能有效提高U肋与顶板连接焊缝的疲劳性能;U肋与顶板单面焊连接的最不利疲劳易损部位为焊根,而双面焊连接的最不利疲劳易损部位变为外侧焊趾;焊缝未熔透间隙长度和高度对U肋与顶板双面焊连接疲劳性能的影响较小;增大焊缝和顶板夹角可显著降低双面焊连接的最大切口应力幅,提高U肋与顶板双面焊连接的疲劳性能。     

板焊前轴疲劳强度寿命分析

文章采用汽车结构疲劳与可靠性设计的理论和方法,并使用焊缝疲劳强度分析方法,运用疲劳分析软件FE-SAFE对板焊前轴进行等幅载荷作用下的综合仿真疲劳寿命分析,并与试验数据进行对比分析,得出该仿真分析能很好的预测断裂位置,仿真分析与试验数据接近,从而验证了该仿真寿命分析的准确性,为板焊前轴设计提供依据。     

焊接微裂纹缺陷对顶板与纵肋构造疲劳性能影响研究

为研究焊接微裂纹缺陷对正交异性钢桥面板顶板与纵肋构造疲劳性能的影响，首先采用扫描电子显微镜对实际桥梁结构的焊接断面进行缺陷检测，统计分析微裂纹尺寸和分布特性，然后基于既有试验和有限元分析方法，结合断裂力学理论，评估不同微裂纹缺陷对构造细节劣化效应的影响，并分析焊接微裂纹关键特征参数对构造细节疲劳性能的影响。结果表明：顶板与纵肋构造的焊趾及焊根处普遍存在微裂纹缺陷，焊根处微裂纹尺寸(平均值150.7μm、标准差100.8μm)大于焊趾处(平均值29.8μm、标准差17.4μm);顶板与纵肋构造细节主导失效模型主要由微裂纹尺寸决定；构造细节疲劳寿命直接由焊接微裂纹尺寸决定，其疲劳强度为100～200 MPa;疲劳裂纹最终扩展方向与焊接微裂纹初始角度无关，仅受实际受力状态影响。     

复杂环境下对接焊缝疲劳性能数值分析

为了研究钢桥在复杂环境中焊接接头的疲劳性能,通过建立Q420qD钢板对接焊缝有限元模型,针对焊缝区域存在腐蚀、火灾的工况作用下,基于S～N曲线方法,对对接焊缝的疲劳寿命进行估算。结果表明:对接钢板焊接完成后在焊趾产生较大残余应力,焊缝经过热处理后焊趾残余应力降低61.8%;存在腐蚀坑的焊缝边缘产生较大应力集中现象;未处理过的对接焊缝疲劳性能明显高于规范公式计算值,而存在腐蚀坑损伤的对接焊缝疲劳性能大幅降低,焊缝经过热处理后其疲劳性能得到了改善。     

钢桥面板纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹扩展三维模拟方法

为了深刻认识正交异性钢桥面板的疲劳特性,准确评估其疲劳抗力,对纵肋与顶板焊接细节进行了三维疲劳裂纹扩展模拟。提出了一种主要针对椭圆或半椭圆形疲劳裂纹的扩展模拟方法,采用相互作用积分法计算裂纹尖端处的应力强度因子K,作为三维裂纹模拟的基本参量。以青山长江公路大桥正交异性钢桥面板疲劳试验节段模型为研究对象,将纵肋与顶板焊接细节处的疲劳裂纹近似为单个半椭圆形裂纹,对其扩展过程进行三维模拟,通过试验结果验证了所提方法的有效性。在此基础上将初始裂纹分别设置于焊根和顶板焊趾,探讨了顶板厚度和U肋形式对于纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹扩展特性的影响问题。研究结果表明：所提出的方法能够准确模拟纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹的扩展过程,适用于其疲劳问题研究;增加顶板厚度能够有效改善纵肋与顶板焊接细节处的疲劳性能;相对于传统纵肋与顶板焊接细节而言,顶板与镦边U肋焊根和焊趾处的疲劳裂纹扩展特性和疲劳抗力没有显著差别,顶板与镦边U肋焊缝构造细节难以显著改善焊根和顶板焊趾处的疲劳性能;萌生于焊根并向顶板扩展的疲劳失效模式是控制传统纵肋与顶板焊接细节和顶板与镦边U肋焊缝构造细节疲劳性能的主导疲劳失效模式。     

宽幅钢箱梁横隔板与U肋过焊孔构造研究

宽幅钢箱梁横向受力较大的特征使得横隔板与U肋过焊孔周边细节构造容易出现疲劳破坏。为提高该细节构造的疲劳性能,以沌口长江公路大桥为背景,针对横隔板U肋过焊孔的常用形式,采用ANSYS软件建立钢箱梁节段的有限元模型,通过仿真分析比较不同形式过焊孔的结构强度及疲劳性能,结合其局部受力机理及参数化分析,提出改进的过焊孔形状和加厚横隔板顶部齿形板的优化措施,并利用损伤度原理验证改进效果。结果表明:提出的横隔板与U肋过焊孔改进形式明显改善了该细节构造的疲劳性能;加厚横隔板顶部的齿形板,可明显降低过焊孔的疲劳应力幅,提高其疲劳寿命。     

钢桥面板与纵肋焊接细节关键构造参数及其疲劳效应分析

为研究钢桥面板主要构件参数取值导致的疲劳效应,以某公路大桥正交异性钢桥面板U形纵肋与顶板构造细节为研究对象,建立精细化板壳与实体混合有限元仿真分析模型,分析纵肋和顶板厚度变化及其匹配组合对于该构造细节应力历程、等效应力幅值和疲劳累积损伤的影响效应。结果表明:纵肋和顶板厚度均是影响其构造细节疲劳性能的关键性参数,但其厚度变化对于疲劳性能的影响具有一定的差异;在相同的构造参数下,相应于顶板焊趾和焊根2种失效模式的疲劳性能并不一致,相较而言顶板焊根位置具有更高的疲劳开裂风险;适当增大纵肋厚度可有效延缓纵肋与顶板构造细节的疲劳损伤累积过程,合理构造参数的确定应综合考虑经济性和制造工艺等因素。     

新型镦边U肋与面板连接焊缝切口应力分析

正交异性钢桥面板焊接部位疲劳问题突出,为研究采用新型镦边U肋替代传统U肋,其与正交异性钢桥面板焊缝处的应力改善情况,以典型正交异性钢桥面板为研究对象,按照实际尺寸参数采用ANSYS有限元软件建立足尺节段模型进行分析。确定关注区域及最不利荷载加载位置,在此基础上,建立焊缝局部精细模型,采用切口应力法分析镦边U肋与面板焊缝和传统U肋与面板焊缝在焊趾及焊根部位的应力。结果表明:采用镦边U肋与传统U肋在U肋与面板焊缝处应力分布基本相似;相对于传统U肋焊缝,镦边U肋焊缝在面板焊趾、焊根和U肋焊趾处应力最大降幅分别为24.3%、43.8%、60.5%,镦边U肋可以较好地改善U肋与面板焊缝处的应力集中效应,有利于提高结构的抗疲劳性能。     

铝合金桥梁的受力性能

总结分析国外铝合金桥梁受力性能研究成果及设计与工程实践经验。考虑铝合金焊接热效应及较低弹性模量的影响,对铝合金桥梁的结构形式应进行合理设计;对铝合金受弯构件的稳定性能分析后,提出提高铝结构稳定性的有效措施;借鉴荷兰学者对铝合金桥梁疲劳性能的研究成果,对铝桥的构造细节及整体疲劳性能进行分析。国外研究与工程实践表明,铝合金可以安全、经济地应用于桥梁工程。     

既有钢桥面板U肋内焊临时孔设计方案研究

针对U肋与顶板焊缝开裂具有"普遍性、早发性、多发性、再现性"的问题,开展了将U肋内焊技术应用于既有桥梁U肋与顶板疲劳裂缝的补强加固研究,以提高钢桥面板的使用寿命.但对于既有桥梁,需要在U肋底部设置临时孔,以便内焊机进入U肋内部进行焊接.针对在U肋纵向不同开孔位置对钢桥面板应力重分布,基于精细化数值模拟分析,得到开孔位置...     

U肋-面板全熔透焊接接头疲劳性能试验

正交异性桥面板U肋-面板焊接接头为疲劳裂纹多发部位,为了提高U肋-面板焊接接头疲劳性能,分析目前规范中对该构造细节的疲劳设计要求以及疲劳问题依然存在的原因,在目前主要采用部分熔透焊形式的背景下,考虑引入全熔透焊接以期达到提高疲劳性能的目的。研究围绕一种全新的U肋-面板全熔透焊接接头的疲劳性能分别开展构造细节和节段足尺模型试验研究。试验结果表明：全熔透疲劳裂纹都是始于U肋内侧焊趾处,沿着U肋腹板厚度方向发展,部分熔透焊裂纹主要始于未熔透焊缝的焊根部位,沿焊喉方向发展,直至贯通整个焊喉,且在同样加载条件下,全熔透焊裂纹产生的加载次数明显高于部分熔透焊;全熔透焊的热点应力试验测试值与理论计算值基本一致,U肋焊趾部位应力集中明显,内侧受拉外侧受压,解释了疲劳裂纹起始点为U肋焊趾内侧;经回归计算得到热点应力疲劳强度为263.8 MPa;将足尺节段疲劳试验加载幅度对应的加载次数换算为公路桥梁规范单车轮轮载60 kN所对应的加载次数,2个试件加载次数都超过1.2亿次,且U肋-面板全熔透焊接接头依然没有疲劳裂纹产生,表明U肋-面板全熔透焊接接头具备优良的抗疲劳性能。