正交异性钢桥面板横隔板弧形切口疲劳评价的热点应力法

借助有限元分析和随机车流下构造细节应力现场监测数据获取了某正交异性钢桥面板横隔板弧形切口疲劳细节一定宽度范围内的应力时程, 分析了应力峰值分布; 基于国际焊接学会和挪威船级社推荐的热点应力外插公式评价了横隔板弧形切口疲劳寿命, 研究了适用于横隔板弧形切口热点应力的外插公式。研究结果表明: 在桥面车辆通行下, 横隔板弧形切口响应为压应力, 且应力峰值大; 横隔板弧形切口不仅产生了显著的应力集中, 且应力沿构造细节最小净截面一定范围呈显著的非线性分布; 因应力插值点位于横隔板弧形切口应力分布的非线性区, 采用国际焊接学会和挪威船级社提出的热点应力插值公式得到的热点应力偏大, 评价的疲劳寿命均偏保守; 提出的两点线性外插公式和三点二次外插公式的应力插值点均位于构造细节应力的线性分布区, 且第1个插值点均距横隔板弧形切口自由边1倍横隔板厚度, 依此方法评价的横隔板弧形切口疲劳寿命与实桥该构造细节的开裂寿命较为一致。正交异性钢桥面板横隔板弧形切口的疲劳性能评价若基于热点应力法开展, 可采用疲劳等级FAT90和建议的三点二次外插公式。      

正交异性钢桥面板焊接接头疲劳评估方法

传统正交异性钢桥面板疲劳性能评价方法评估精度不足,为准确评估其焊接接头的疲劳性能,基于线性累积损伤理论,探讨了结构应力法、切口应力法用于正交异性钢桥面板焊缝疲劳性能评估的可行性和准确性.以典型正交异性钢桥面板为研究对象,采用足尺模型试验和仿真分析,并结合已有试验数据对上述评估方法进行验证.研究结果表明:与结构应力法相比,采用切口应力法或传统名义应力法评价正交异性钢桥面板的疲劳性能时,评价结果的离散性大;采用结构应力法(离散度为3倍标准差的主S-N曲线时)更准确,适用于正交异性钢桥面板焊接接头疲劳性能评估.      

基于热点应力法的正交异性钢桥面板疲劳验算

为了解决正交异性钢桥面板的疲劳开裂问题,提出将热点应力法应用于其疲劳验算.该方法采用ANSYS子模型模块,通过国际焊接协会的线性外推方法,计算获得验算部位的热点应力.基于热点应力法给出正交异性钢桥面板的疲劳验算流程,对验算涉及的问题结合甬江桥实例进行了探讨.研究结果表明:与名义应力法相比,热点应力法可以反应正交异性钢桥面板疲劳开裂的实质;利用热点应力法对甬江桥正交异性钢桥面板加劲肋与横隔板连接部位的加劲肋进行疲劳验算,得出该构造细节的疲劳寿命为73 a.      

横隔板弧形缺口疲劳性能试验研究

为研究正交异性钢桥面板横隔板弧形缺口易损细节的受力特性和疲劳性能,根据某钢箱梁尺寸制作了单U肋足尺模型,进行了120 kN荷载幅的疲劳试验,并分别采用热点应力法和名义应力法评估了弧形缺口焊接细节及非焊接细节的疲劳寿命.试验结果表明,足尺模型两个弧形缺口焊缝端部位于U肋腹板上的焊趾处分别在经历31.7万次和58.3万次的加载后出现裂纹,焊接质量是两处细节疲劳性能差异显著的原因;100万次加载后未见其他新裂纹出现.基于IIW推荐的FAT90级和F100级两条热点应力S-N曲线对焊缝端部细节进行寿命评估时,位于U肋腹板上细节的疲劳寿命分别是35.2万次和48.8万次,位于横隔板母材上细节的疲劳寿命分别是161.9万次和224.0万次;基于Eurocode 3中的71级名义应力S-N曲线评估的弧形缺口自由边细节的疲劳寿命是302.2万次.研究结果表明,弧形缺口焊缝端部位于U肋腹板上细节最易出现疲劳裂纹,实际工程中应重点关注;推荐采用IIW中的FAT90级热点应力S-N曲线对该细节疲劳寿命进行评估.     

正交异性钢桥面板横隔板弧形切口疲劳性能

为了揭示正交异性钢桥面板弧形切口母材的开裂机理, 采用有限元程序ANSYS建立钢箱梁节段模型与钢桥面板单元子模型, 为确保计算的精确性, 进行了网格无关性检查, 分析了弧形切口疲劳细节在移动轮载作用下的应力响应特征, 分别采用热点应力法与名义应力法评估了弧形切口细节的疲劳性能, 并研究了横隔板厚度与切口形状对构造细节应力的影响。研究结果表明: 弧形切口细节应力影响线长度在纵桥向为横隔板间距的2倍, 因而可用疲劳车的中轴组单独加载, 根据AASHTO LRFD, 1辆5轴疲劳车会在该构造细节上产生2或3个应力循环; 弧形切口在纵、横桥向的最不利荷载位置分别为轮载中心作用于纵肋腹板与面板交界处和中轴前轮作用于距横隔板0.3m处; 弧形切口边缘应力集中点的应力方向与水平面的倾角为67.2°; 疲劳评估结果与名义应力提取位置密切相关, 可采用热点应力法并基于FAT125的疲劳寿命曲线进行弧形切口的疲劳评价, 也可根据疲劳等效原则提取距切口边缘5mm处的应力, 并基于名义应力法开展疲劳评价; 建议采用Eurocode 3中圆弧半径较大的公路桥梁切口形状, 其热点应力与研究的切口形状相比降低了12.4%, 且当横隔板厚度不小于12mm时, 弧形切口细节的应力幅小于截止应力幅, 为无限疲劳寿命; 横隔板弧形切口的开裂与切口形状不佳、横隔板厚度偏小、制造工艺不完善以及货车通行量大等因素密切相关。      

基于ANSYS的钢桥面板横隔板处纵肋与顶板焊接细节疲劳应力分析

为研究钢桥面板横隔板处纵肋与顶板焊接细节疲劳性能,基于ANSYS有限元软件,采用热点应力法,建立了2跨5U肋疲劳节段有限元分析模型。研究结果表明:得到了疲劳单车模型三种加载工况下的横隔板处纵肋与顶板焊接细节纵向热点应力历程曲线,U肋正上方加载工况为控制工况,其应力幅值为81. 4MPa,轮载位于横隔板正上方时疲劳应力达到峰值,在进行钢桥面板结构设计时,应尽可能将轮迹线布置在U肋之间,以避免疲劳开裂。     

主梁新细节的疲劳寿命预测及参数分析

为研究沪通铁路长江大桥主梁新细节的过焊孔半径、过焊孔形状、焊脚尺寸对大桥疲劳性能的影响,采用热点应力法预测疲劳寿命,并将其与9个试件的疲劳实验结果进行比较,在此基础上建立有限元模型进行相关参数分析.研究表明:基于热点应力法预测的主梁新细节的疲劳寿命与试验测试值存在一定差异,但均小于15%;主梁新细节过焊孔附近的翼缘板网格尺寸对其热点应力影响较小,小于1.6%,对此焊接细节采用两点外推法与三点外推法计算热点应力均是可行的;焊脚尺寸、过焊孔半径对热点应力、翼缘板的最大应力有一定的影响,但变化幅度均不超过10%;热点应力、腹板、翼缘板最大应力受长短半轴比的影响显著,腹板最大应力的变化幅度达21.6%,而其他两者均未超过10%.建议在有条件时可采用椭圆形过焊孔的焊接细节,且长短轴之比适当取大些.      

拉-剪应力场下全熔透十字型焊接节点疲劳寿命评估

为研究全熔透十字型焊接节点在拉-剪应力场反复作用下的疲劳损伤累积规律及疲劳寿命预测方法,选择不同倾角(0°、15°、30°、45°)全熔透承载焊缝十字形焊接节点,构建不同比例的拉-剪应力场.利用ANSYS建立有限元模型,对不同倾角下全熔透十字形焊接节点的应力分布状态及应力集中系数进行比较分析.完成4组12个比例加载时正应力和剪应力共同作用下的焊接节点疲劳试验.基于名义应力分别采用等效应力法、相互作用方程法和双参数临界面法,对全熔透十字形焊接节点疲劳寿命进行评估,并与试验结果进行对比分析.研究结果表明,应力比大于0.5时,按国际焊接学会方法及Eurocode方法得到的疲劳寿命偏大,主拉应力法得到的疲劳寿命仅为试验结果的1/3,双参数临界面法和等效应力法得到的疲劳寿命与疲劳实验结果吻合较好.     

波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁桥疲劳性能

为研究波形钢腹板-钢管混凝土桁式弦杆组合梁的热点应力分布规律、疲劳性能演化和疲劳破坏形式，开展了波形钢腹板-钢管混凝土(CSW-CFST)桁式弦杆组合梁和波形钢腹板-钢管(CSW-ST)桁式弦杆组合梁疲劳性能试验和有限元分析；研究了CSW-CFST和CSW-ST桁式弦杆组合梁疲劳性能的异同，分析了弦杆内混凝土改善组合梁疲劳性能的本质原因，探讨了CSW-CFST桁式弦杆组合梁疲劳寿命的评价方法，并将采用美国石油协会(API)、国际管结构发展与研究委员会(CIDECT)和挪威船级社(DNV)设计标准所得CSW-CFST桁式弦杆组合的梁疲劳寿命分别与试验结果进行了对比。研究结果表明:采用线性外推方式得到的CSW-CFST桁式弦杆组合梁热点应力为二次外推方式所得的1.036倍，偏安全角度考虑，CSW-CFST桁式弦杆组合梁热点应力宜采用线性外推求解；组合梁斜腹板段热点应力明显大于直腹板段，最大热点应力出现在斜腹板与圆弧过渡段相交处，相较于CSW-ST桁式弦杆组合梁，弦杆内混凝土能使CSW-CFST桁式弦杆组合梁热点应力下降26.8%，但热点应力分布规律不变；建议将疲劳裂缝萌生时刻对应的反复加载次数定义为CSW-CFST桁式弦杆组合梁的疲劳寿命；弦杆内混凝土能够延缓疲劳裂缝沿壁厚和长度方向的扩展速度，可使CSW-CFST桁式弦杆组合梁的疲劳寿命提高61.5%，但不改变组合梁的疲劳破坏模式和疲劳裂缝类型；采用DNV所得CSW-CFST桁式弦杆组合的梁疲劳寿命与试验结果间的误差最小，不超过26.4%，建议采用DNV给出的钢管相贯节点疲劳设计应力(S)-疲劳寿命(N)曲线初步计算CSW-CFST桁式弦杆组合梁的疲劳寿命。      

基于断裂力学的钢桥面肋-板接头疲劳寿命预测

为研究反复荷载作用下正交异性钢桥面中U型肋与桥面板焊接接头的疲劳性能,基于断裂力学基本理论,利用有限元方法,进行了肋-板接头的疲劳寿命评估.根据正交异性钢桥面与U型肋连接构造基本形式,利用有限元软件ANSYS建立了包含3个U型肋的正交异性钢桥面平面有限元模型;考虑肋-板连接位置处焊接细节的4种典型裂纹,计算了2个加载工况下各裂纹处等效应力强度因子,并分析了初始裂纹长度、桥面板厚度、U型肋高度和U型肋厚度对等效应力强度因子的影响规律;依据Eurocode 3规范中正交异性钢桥面肋-板接头加载模式,采用桥面板与U型肋连接构造二维有限元模型,计算得到典型裂纹的等效应力强度因子,建立了基于断裂力学疲劳扩展模型为基础的正交异性钢桥面肋-板接头的疲劳寿命预测方法.研究结果表明:基于线弹性断裂力学原理计算得到的疲劳寿命均大于Eurocode 3规范计算值,桥面板厚度选用16~18 mm及将初始裂纹长度控制在0.1 mm以下可有效地提高板-肋接头疲劳寿命.     

基于临界域法的桥梁钢丝腐蚀疲劳寿命

为评估桥梁钢丝服役期间的腐蚀疲劳性能,采用临界域法,根据钢丝腐蚀坑局部应力梯度求解临界距离.采用精细有限元法,建立了钢丝腐蚀疲劳寿命预测模型;通过圆形、三角形和含切口的三角形3种形状腐蚀坑钢丝的疲劳试验,获得了它们的疲劳寿命,并与疲劳寿命的预测结果进行比较.研究结果表明:轴向应力分布决定钢丝的疲劳强度;临界距离随应力集中效应增强而减小;腐蚀钢丝的剩余寿命可根据应力集中系数评估,应力集中系数大于3的腐蚀钢丝应考虑更换.      

基于热点应力法的矩形钢管混凝土组合桁梁桥节点疲劳评估

为准确评估矩形钢管混凝土组合桁梁桥节点疲劳性能, 引入热点应力法, 可通过平面杆系模型、空间杆系模型和三维实体模型计算节点焊趾处的热点应力幅, 并通过对52个节点疲劳试验数据回归分析, 拟合得到热点应力幅-循环次数曲线; 选取陕西黄延高速一座矩形钢管混凝土组合桁梁桥为典型案例进行节点疲劳评估, 并对原有节点设计方案的构造进行优化。研究结果表明: 相比于墩顶矩形钢管混凝土节点, 跨中矩形钢管节点热点应力幅更大, 为60.1 MPa, 发生在主管表面, 但是小于欧洲规范Eurcode中的容许疲劳强度71 MPa, 满足疲劳设计要求; 对跨中疲劳易损节点进行设计构造优化, 原设计矩形钢管节点变为矩形钢管混凝土节点后, 管内混凝土改变了节点局部刚度, 使相贯线焊趾处应力分布均匀, 支、主管表面热点应力幅平均降低25.1%, 对原设计节点进行焊缝后处理, 可有效消除焊接初始拉应力, 改善节点疲劳性能, 支、主管表面热点应力幅平均降低14.9%;采用空间杆系模型对优化后的跨中矩形钢管混凝土节点进行疲劳评估, 支、主管表面最大热点应力幅分别为58.9、54.1 MPa, 大于三维实体模型计算得到的支管和主管表面最大热点应力幅45.2、47.1 MPa, 空间杆系模型计算结果偏保守, 且无法像三维实体模型一样准确计算不同热点位置的疲劳效应, 也无法准确判断疲劳开裂起始位置。      

钢箱梁面板与U肋焊接残余应力的分布特性

为研究残余应力场对钢箱梁疲劳性能影响效应,以港珠澳大桥正交异性钢桥面板为例,采用数值模拟的方法,研究了正交异性钢桥面板焊接全过程及残余应力分布特性,分析了板件参数对残余应力的影响效应,得到钢箱梁确定正交异性钢桥面板焊接残余应力分布的经验公式.研究结果表明:采用ANSYS热-结构弱耦合数值模拟方法可反映实际焊接过程中残余应力场的分布;焊缝区域残余应力峰值受板件参数影响较小,横向最大残余应力约为300 MPa;沿板厚方向焊接残余应力符合正弦分布,表明采用正弦函数作为其经验分布模型是可行的.      

基于IIW标准的提速客车转向架焊接构架疲劳寿命预测

基于线路动应力测试得到的动应力谱,考虑焊接结构的特殊性,以国际焊接学会IIW标准中疲劳设计规范提供的焊接接头S-N曲线数据库为依据,利用Palmgren-Miner累积损伤法则,对某提速客车转向架焊接构架进行了疲劳寿命预测.预测结果与疲劳试验机的试验结果对比表明,基于IIW的疲劳寿命预测方法有推广价值.     

焊接钢梁疲劳寿命及其参数研究

焊接钢构件的概率疲劳寿命曲线和概率裂纹扩展速率曲线是进行钢结构疲劳可靠性设计和服役期间剩余疲劳寿命可靠性评估所必须的。为了获得一些构件的概率曲线,对美国NCHRP研究机构所进行的大规模焊接钢梁疲劳试验结果进行再分析。通过原始数据的统计检验,得出了常见构件的全寿命概率分布。根据Paris公式及已有的结论,对原始数据进行推演再分析,获得了Paris公式中参数的概率分布。最后,给出了概率断裂力学方法预测焊接钢梁在给定可靠度下疲劳裂纹扩展寿命的算例。     

基于IIW标准的提速客车转向架焊接构架疲劳寿命预测

基于线路动应力测试得到的动应力谱,考虑焊接结构的特殊性,以国际焊接学会IIW标准中疲劳设计规范提供的焊接接头S-N曲线数据库为依据,利用Palmgren-M iner累积损伤法则,对某提速客车转向架焊接构架进行了疲劳寿命预测.预测结果与疲劳试验机的试验结果对比表明,基于IIW的疲劳寿命预测方法有推广价值.     

海洋平台KK型管节点的疲劳性能试验研究

以某自升式海洋平台为研究对象,进行了空间KK型管节点在轴力作用下的疲劳性能的试验研究.通过对管节点模型的试验测试,得到了KK节点在轴力作用下沿着焊缝周围的热应力区内的热点应力分布及节点的应力集中系数,并采用S-N曲线法对KK型管节点的疲劳寿命进行估算.通过对比分析,指出了试验方法与规范计算方法在管节点疲劳性能分析上的差异性.     

钢桥面板顶板与纵肋连接焊根位置疲劳损伤特征

针对闭口肋正交异性钢桥面板顶板焊根处疲劳裂纹处于纵肋内部, 不易发现与危害大等问题, 根据所处位置的不同, 将顶板焊根疲劳细节分为横隔板节间内(RD细节) 和跨横隔板截面(RDF细节) 2种类型, 采用有限元方法分析了2种细节的应力影响面, 考虑了轮迹横向概率分布、多轴轮载作用以及铺装与桥面板相互作用等影响, 研究了2种细节的疲劳损伤特征。分析结果表明: 当轮载作用于目标细节正上方时为最不利状态, 纵桥向轮载中心移至目标细节前后0.6m范围内应力较大, 横桥向2种细节的轮载影响均在1.0m范围内; 考虑轮迹横向分布影响, 简化计算时, RD、RDF细节的等效应力幅横向折减系数可以分别取0.92、0.96;在双、三联轴作用下, RD细节的损伤度分别是单轴荷载的2.10、3.21倍, 若近似采用单轴叠加, 所得损伤度可能偏于不安全, 建议寿命评估时考虑车辆类型影响; 计入铺装与桥面板相互作用后, 细节处应力幅明显降低, 顶板厚度为12mm的铺装模型焊根处应力幅几乎与16mm厚的钢桥面板相当, 且降低程度随铺装弹性模量的增大而增大; 对于45°扩散角简化铺装扩散模型, 当顶板厚度不小于16mm时, 其应力幅小于同时考虑铺装扩散作用与铺装刚度贡献的实体模型, 且差值随顶板厚度的增加而增大, 简化时需要考虑其适用范围, 否则会偏于不安全; 当顶板厚度为18mm且考虑铺装作用时, 2种细节疲劳寿命满足设计使用寿命要求, RDF细节疲劳寿命约为RD细节的67%, 较为不利。      

4D轴货车焊接构架的疲劳强度分析方法

以某货车厂研制的新型4D轴货车焊接整体构架为研究对象,在ANSYS9.0有限元软件中建立完整的构架三维模型,根据UIC510-3规程,分析计算构架的应力分布情况、评估其疲劳强度,得出疲劳薄弱区.采用子模型技术,对疲劳薄弱区的焊接细节结构进行热点应力分析,进一步评价构架的疲劳强度.通过动应力实测编制疲劳薄弱区的应力谱,由S-N曲线和Miner累积损伤法则,预测构架的疲劳寿命.     

基于结构应力法的焊接构架应力状态研究

采用结构应力法研究焊接构架焊接接头的应力状态.首先,结合结构应力法和BS EN15085-3:2007标准,提出焊接接头应力因数的计算方法,并归纳总结出确定焊接构架焊接接头应力状态等级的技术路线;其次,建立了包括焊缝在内的某焊接构架有限元模型,依据疲劳试验大纲中提供的疲劳载荷谱,分析了构架焊缝的结构应力分布特点,并利用结构应力法的98%可靠度-2σ的S-N曲线,对焊缝进行疲劳寿命预测,构架评估焊缝的总损伤均小于1,满足疲劳寿命设计要求;接着,基于构架评估焊缝的等效结构应力计算焊缝的应力因数,应力因数的最大值为0.79;最后,由应力因数的值,确定构架支撑座附近焊缝的应力状态等级为中.