钢箱梁面板-纵向腹板构造细节轮载应力的参数分析

为研究轮载作用下结构参数对钢箱梁桥面板-纵向腹板构造细节应力响应的影响,建立了带纵向腹板的正交异性钢桥面板有限元模型,并基于我国规范对疲劳车模型开展了研究。首先针对轮载在横桥向的5种典型位置,通过每种位置轮载的顺桥向移动,获得了面板-纵向腹板构造细节及其附近面板-纵肋构造细节的应力响应,通过对比分析确定了面板-纵向腹板构造细节的最不利轮载工况。然后,在该最不利轮载工况下,分析了纵向腹板3个主要设计参数变化对面板-纵向腹板构造细节的应力响应影响。研究表明:与其他横桥向轮载位置相比,当轮载中心位于纵向腹板正上方时,面板-纵向腹板构造细节的面板侧将产生最大的应力响应;纵向腹板与相邻纵肋腹板间距的变化对该构造细节的应力影响显著,但纵向腹板厚度及其与面板间的夹角对该构造细节的应力影响很小;基于传统的正交异性钢桥面板设计,纵向腹板的厚度可为12 mm,其与相邻闭口纵肋腹板的间距建议不大于150 mm,而纵向腹板宜与面板成正T形或接近正T形焊接。基于构造细节最不利轮载工况开展的有限元分析表明:采用上述建议结构参数设计的面板-纵向腹板构造细节,能有效降低该构造细节的应力,因而能提高其疲劳性能。     

随机车流下钢-UHPC组合正交异性桥面疲劳性能研究

为获得钢-UHPC组合铺装正交异性桥面板构造细节轮载作用下的响应特征,准确评价随机车流下其疲劳敏感构造细节的疲劳性能,以佛陈扩建西幅桥为例,开展了钢-UHPC组合铺装正交异性钢桥面板全部构造细节的应力监测试验。利用7d连续记录的应力时程和雨流计数法获得了构造细节的应力谱;基于Miner疲劳损伤等效原则计算得到了最大应力幅、等效应力幅及疲劳加载次数。结果表明:当构造细节位于轮载正下方时,通行货车每个车轴将在面板上的构造细节中产生1个应力循环,但其他构造细节只能由每个轴组产生1个应力循环;钢-UHPC组合铺装虽并未改变正交异性钢桥面板构造细节轮载作用下明显的局部效应特征,但增大了正交异性钢桥面板的刚度,使得横隔板弧形切口的面外应力减小;其显著降低了面板上构造细节的应力幅,使得纵肋-面板焊缝构造细节和面板对接焊缝构造细节所记录到的最大应力幅均小于常幅疲劳极限;基于AASHTO规范开展的疲劳评价表明,在当前交通流下,佛陈扩建西幅桥钢-UHPC组合铺装正交异性钢桥面板全部构造细节具有足够的疲劳强度。     

钢桥面板-肋双面焊构造细节疲劳失效模式研究

设置高疲劳抗力构造细节是提升钢桥面板疲劳寿命的有效途径之一,以一种钢桥面板-肋双面焊构造细节为研究对象,基于线弹性断裂力学原理,利用ABAQUS有限元软件建立了该细节疲劳裂纹扩展子模型,研究了疲劳加载工况下各裂纹萌生点处初始裂纹扩展能力.同时通过应力强度因子幅值对比分析,进一步确定了该钢桥面板-肋双面焊构造细节主导疲劳失效模式.     

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。     

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。     

中欧规范下钢桥面板与纵肋双面焊焊接细节疲劳性能分析

钢桥面板与纵肋双面焊焊接细节是新型构造细节之一,有助于改善钢桥面板疲劳性能。文中基于中欧规范中疲劳车形式,通过有限元数值模拟,采用热点应力法计算得到钢桥面板与纵肋双面焊焊接细节的热点应力历程,分析该细节的疲劳性能。     

无切口钢-UHPC组合桥面纵肋-横隔板接头疲劳性能

为解决正交异性钢桥面纵肋-横隔板接头疲劳开裂问题,根据正交异性钢桥面构造特点,提出了一种疲劳性能良好的新型无切口正交异性钢-UHPC组合桥面,能简化制造工艺,提高经济性能。基于ANSYS数值分析平台建立双尺度有限元模型,采用欧洲规范疲劳荷载模型III开展纵桥向移动加载,获得了纵肋-横隔板接头在3种典型横向位置下的轮载热点应力响应曲线。结合轮载作用下的应力云图和变形图,揭示了构造细节力学机理,评估了疲劳性能,并探讨了构造参数的影响。应力响应曲线表明:纵肋-横隔板接头在轮载作用下的应力响应以受压为主,局部效应显著,纵桥向应力影响线短,因而可根据轮载应力响应曲线识别轴组中的单轴。应力云图和变形图表明:构造细节在轮载作用下出现了显著应力集中,因新型桥面横隔板截面削弱较小,横隔板侧应力梯度小于纵肋侧。纵肋-横隔板接头应力最大点均不在纵肋正底部位置,而是与纵肋中心线成一定角度。由于纵肋-横隔板接头与面板距离较大,UHPC层和面板厚度对其疲劳性能改善并不明显。增加横隔板厚度能减小横隔板侧应力幅,但会增加纵肋侧应力幅,横隔板厚度可取10 mm。增大纵肋腹部厚度可有效减小纵肋侧应力幅,16 mm的纵肋腹部厚度可使得纵肋-横隔板接头实现无限疲劳寿命。     

车辆轮迹线位置对钢桥面板疲劳部位应力的影响分析

正交异性钢桥面板是大跨度桥梁结构主要桥面板形式.为深入研究车辆轮迹线位置对钢桥面板疲劳部位应力的影响,以纵肋与顶板双面焊焊接接头为研究对象,基于ANSYS有限元软件,选取三种典型疲劳车辆轮迹线加载形式,得到了该部位热点应力历程.车辆骑纵肋加载和纵肋间加载均具有较大的疲劳应力,设计时应将轮迹线尽量布置在纵肋正上方位置.     

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。     

铺装层温度效应对U肋与顶板构造疲劳损伤的影响

为研究50 mm厚EA10环氧沥青混凝土铺装层温度对正交异性钢桥面板U肋与顶板构造疲劳致损效应的影响,开展带沥青混凝土铺装层的正交异性钢桥面板足尺节段模型拟静力循环加载试验。分析不同铺装层温度下正交异性钢桥面板顶板的横向应变、挠度以及U肋与顶板构造的局部热点应力响应,在此基础上,对不同铺装层温度下U肋与顶板外侧焊趾疲劳损伤进行研究。结果表明:常温(25℃)条件下,采用沥青混凝土铺装层可降低钢桥面板顶板35.2%的横向应力和10.3%的局部挠度,以及U肋与顶板双面焊构造外侧顶板焊趾区域的应力幅值和疲劳损伤;随着沥青混凝土铺装层温度升高,顶板横向应力、挠度及U肋与顶板双面焊构造外侧顶板焊趾区域的应力幅值、疲劳损伤显著增大,高温(60℃)条件下该区域疲劳损伤度增幅可达41.5%。     

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。     

2种弧形切口对RF构造细节疲劳性能影响的现场监测

现场监测能真实反映结构的构造细节、边界约束和桥面加载条件,是正交异性钢桥面板疲劳评价最合理有效的方法之一。基于某正交异性桥面板钢箱梁桥,通过监测随机车流下同一车道紧邻的2个横隔板上疲劳敏感构造细节的应力响应时程,对比2种不同弧形切口正交异性钢桥面板构造细节的应力响应;通过雨流计数法获取构造细节应力谱,再基于米勒线性累积损伤准则计算疲劳等效应力幅和等效加载次数;最后基于AASHTO LRFD规范条文计算相关构造细节的疲劳寿命。研究结果表明:横隔板弧形切口构造细节总应力是面内应力分量主导,小弧形切口峰值应力时面外应力对总应力的比不大于23%,而大弧形切口仅略减小到20%,但大弧形切口削弱了横隔板腹板,使得传递面内竖向应力的面积减小,反而增大了弧形切口构造细节的应力,因而大弧形切口构造细节的疲劳寿命仅为10.6年,低于小弧形切口的14.2年;对纵肋-横隔板(Rib-to-floorbeam,RF)焊缝构造细节而言,大弧形切口减轻了RF之间的相互约束,能一定程度减小RF纵肋侧和RF横隔板侧的应力响应;但增大了RF围焊处因弯曲产生的压应力,从而导致横向泊松效应在该构造细节处产生大的二次应力;采用小弧形切口时估计的纵肋-横隔板焊缝构造细节的疲劳寿命大于100年,而采用大弧形切口对应寿命仅为31年。研究结果可为正交异性钢桥面板抗疲劳设计和加固提供有益的参考。     

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。     

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。     

钢桥面板纵肋与横隔板连接位置疲劳损伤特征

纵肋与横隔板连接是控制钢桥面板耐久性的关键构造细节,其在轮载作用下应力传递复杂,构造设计不当极易引起疲劳裂纹。目前常规式纵肋与横隔板连接在运营过程中可能发生的疲劳裂纹形式有横隔板弧形开孔裂纹、焊缝端部横隔板裂纹、焊缝端部纵肋水平裂纹或竖向裂纹,针对常规式连接的不足,设计上进一步提出内肋式和无缝式2种构造类型。采用有限元方法,以纵肋与横隔板连接可能出现裂纹的4类细节为对象,基于应力影响面分析,讨论了车辆轮载移动对各细节局部受力的影响,研究了常规式、内肋式和无缝式3种构造类型的疲劳损伤特征。结果表明：轮载作用下4类细节的局部效应非常显著,纵向影响区域约在3道横隔板之间,横向影响区域约在2个纵肋范围;考虑轮迹横向概率分布,各细节应力幅横向折减系数在0.94~0.97范围内。常规式连接弧形开孔细节应力幅最大,主要受面内变形控制,纵肋壁板水平细节次之,表现出明显的面外弯曲特性。与常规式连接相比,内肋式连接纵肋壁板水平细节和竖向细节最大应力幅分别降低28%和29%,减缓了纵肋在焊缝端部的应力集中程度。无缝式连接可能的疲劳破坏形式减少为横隔板焊趾开裂和纵肋壁板焊趾开裂2类,分析发现这2类细节均主要处于受压状态。常规式连接疲劳寿命预估为41.2年,纵肋壁板出现水平裂纹导致疲劳破坏的可能性较大;内肋式连接疲劳寿命由横隔板弧形开孔细节控制,较常规式连接提高58%;无缝式连接疲劳寿命预估为85.3年,较常规式和内肋式连接分别提高107%和31%,且两细节寿命相近,从全寿命设计角度考虑该构造更为合理。     

钢-UHPC组合桥面移动车辆加载试验研究

随着公路交通运输的发展,车辆荷载不断提高,导致钢桥面板疲劳问题日益突出,尤其是对桥面系安全使用危害很大的顶板疲劳开裂问题。采用超高性能混凝土(UHPC)形成钢-UHPC组合桥面,因有望解决该类疲劳问题而成为近年来的研究热点。以武汉军山大桥改造工程为背景,利用工程现场的运输卡车,开展了钢-UHPC组合桥面移动车辆加载试验研究。试验结果表明:顶板与U肋连接处疲劳细节控制测点应力幅约为改造前的1/4~1/10,U肋与横隔板连接处疲劳细节DPS01.1控制测点应力幅约为改造前的1/10;疲劳细节C.6多轴疲劳效应显著,疲劳细节C.6.1控制测点应力幅约改造前的26%~29%;其余疲劳细节控制测点应力幅普遍约为改造前的1/2,U肋嵌补段疲劳细节UU01控制测点应力幅约为改造前的1/2。若大桥原钢桥面板抗疲劳设计寿命按5年计,则改造后有望解决其顶板疲劳开裂问题。