钢桁梁焊接构造细节的疲劳性能及基于XFEM的疲劳寿命评估

通过3组共9个试件的疲劳试验,研究沪通长江大桥主桁对接杆件中过焊孔构造细节的疲劳性能,通过扩展有限元方法(XFEM)结合断裂力学方法对过焊孔构造细节裂纹扩展阶段的疲劳寿命进行预测。研究结果表明:过焊孔与翼缘板-腹板焊缝交叉处的焊趾是过焊孔构造细节疲劳性能的薄弱环节;试验测得该细节对应200万次荷载循环的疲劳强度小于欧洲规范对类似构造细节的规定,过焊孔处腹板-翼缘板的角焊缝质量对构造细节的疲劳强度有重要影响;采用XFEM结合断裂力学方法预测疲劳裂纹扩展阶段的寿命与测试结果较吻合,可以作为疲劳寿命评估的手段。     

钢桁结合梁整体节点及细节构造设计与研究

研究目的:(1) 研究确定腹杆与节点板间合理的连接方式,使腹杆与节点板间传力简捷明确,腹杆端部应力分布均匀,提高腹杆抗疲劳性能;(2) 研究确定横梁与弦杆间合理的连接方式,使横梁上翼缘接头构造满足结构疲劳性能要求,避免与之连接的下弦杆竖板发生层状撕裂破坏;(3) 研究确定钢桁结合梁桥整体节点细节构造,使受力复杂的整体节点传力简捷明确,避免应力集中,改善结构疲劳性能.研究结论:(1) 腹杆与节点板间采用全截面拼接,腹杆应力分布均匀,节点刚度大,杆件抗疲劳性能好.(2) 横梁上翼缘接头板与弦杆间采用大弧过渡及熔透焊缝,焊缝质量等级要求为Ⅰ级,焊缝端部要求打磨锤击处理,可满足此处焊接疲劳性能要求.弦杆与横梁相交处,弦杆竖板突出30 mm并采用Q370qE-Z25钢材,可避免此处弦杆竖板发生层状撕裂.(3) 在整体节点及其它钢结构设计细节中,贯彻大弧、缓坡、打磨、锤击等防裂、防断措施.可有效提高整体节点和其它细节构造的疲劳性能,满足结构抗疲劳性能要求.     

刚性悬索加劲连续钢桁梁受力特性成桥试验研究

石济客运专线济南黄河公铁两用桥主桥采用了三桁式刚性悬索加劲连续钢桁梁的特殊结构形式,针对此桥梁的结构特点,开展了成桥专项试验研究。首先测试了外荷载作用下桥梁3片主桁挠度及相应杆件应力的横向分配。其次,测试了有砟轨道铁路桥梁正交异性桥面体系在列车局部轮载作用下各构造细节的受力特征。最后,对刚性悬索加劲钢桁梁上弦杆与加劲弦连接处特殊节点的受力特性进行了测试。实测结果表明:桥梁3片主桁横向具有较好的整体性;有砟轨道铁路桥梁的正交异性桥面体系各构造细节均未出现明显的应力集中效应;特殊节点板受力特征与有限元计算结果吻合,连接板圆弧倒角处应力较大。     

钢桁梁腹杆插入式节点杆端应力分析与探讨

研究目的:为便于制造与安装,大跨钢桁连续梁桥往往在采用整体节点,腹杆与主桁节点连接时,腹杆插入节点板中,采用高强螺栓两面连接。由于仅连接杆件的两个面,另外一面(或两面)不直接承受节点板传递的荷载,必然存在剪力滞效应。通过建立钢桁梁腹杆的几种典型截面的有限元模型,研究两面连接腹杆端部的应力分布,从而掌握腹杆端头板件应力分布的规律并用于指导钢桁梁桥节点设计。研究结论:杆件端部最大正应力均发生在螺栓群末端;一般来说,杆件板厚越大,螺栓连接沿杆件长度方向的排数越多,最大正应力与名义正应力的比值越小;截面形式变化、板件厚度变化不会对最大剪应力的发生部位产生影响;杆件中部,截面应力趋于均匀,剪力滞效应不显著。     

钢管混凝土桁架拱桥板—管焊接节点热点应力集中系数研究

钢管混凝土桁架拱桥板—管焊接节点应力集中程度高,疲劳问题突出,是影响桥梁寿命的关键因素。基于国际焊接协会提出的热点应力计算方法,利用ANSYS软件建立精细有限元模型,研究各种典型荷载作用下板—管焊接节点焊趾处的热点正应力、热点剪应力集中系数。结果表明:热点正应力集中系数在约1/4焊缝长度处最大,外焊缝大于内焊缝,节点板焊趾大于钢管焊趾,内焊缝钢管焊趾处均为压应力;剪应力集中系数在焊缝两端最大,中间最小,内焊缝钢管焊趾剪应力流方向与外焊缝相反;节点板两端直角构造改为圆弧构造,能显著降低端焊缝热点正应力集中程度;板—管焊接节点处于拉—剪联合作用复杂应力场,应综合考虑正应力、剪应力集中,焊缝端点和约1/4焊缝长度处应力集中程度最高,建议作为疲劳设计的"热点"。     

加载波形对钢桥典型构造细节疲劳性能的影响

对既有铁路钢桥构造细节进行梳理分析,选择十字形焊接接头、盖板端焊缝、U肋纵向角焊缝等典型的构造细节,研究其在不同加载波形条件下的疲劳性能。首先,根据三种典型构造细节在实桥中的受力特征和实验室加载条件,设计能够反映实桥受力特征的试件,建立有限元模型,验证试件设计的合理性,掌握试件的应力分布状态和应力集中程度。然后,开展矩形波和正弦波加载条件下三种典型构造细节的疲劳试验。最后,对三种典型构造细节的疲劳试验结果进行分析,掌握了加载波形对于构造细节疲劳性能的影响程度,可为我国铁路钢桥的设计和评估提供依据。     

高速铁路四线大跨钢桁斜拉桥主桁研究

目前四线铁路钢桁梁多采用三主桁型式,采用双主桁的四线铁路桥跨度多在200 m左右。当四线铁路钢桁梁采用双主桁时能适应最小线间距要求,减小主桁横向总宽度,并降低主桥和引桥的工程规模及邻近隧站工程量,因此研究双主桁大跨度钢桁斜拉桥在工程上具有重要意义。结合某高速铁路四线大跨钢桁斜拉桥主桁横断面布置及桁梁主要构造尺寸,从结构受力、技术经济指标、不同桁宽所引起的引桥规模等方面研究三片桁与两片桁的主要差别,合理推断出四线高速铁路钢桁梁最小桁宽。同时从主桁腹杆承受较大面外弯矩及用钢量等方面比较四线主桁腹杆采用三角桁与N形桁的区别。最终确定主桁梁采用桁宽24.3 m的双主桁、腹杆为三角形桁式的钢桁架。研究结果表明:四线双主桁钢桁斜拉桥应用到500 m左右大跨度桥中在技术和经济上是可行的。     

基于缺口应力的波形钢腹板结构疲劳分析研究

基于现行规范对波形钢腹板结构的疲劳问题没有明确的规定,为了研究这种结构的疲劳设计及评估方法,对试验模型梁进行等幅疲劳荷载试验,得到波形钢腹板梁典型疲劳细节和基础疲劳数据。应用有限元软件建模,采用子模型法计算细节处缺口应力,并采用缺口应力法对试验梁的疲劳性能进行评估。研究结果表明:缺口应力法评估波形钢腹板疲劳性能是可行的。波形钢腹板典型疲劳细节的缺口应力集中系数受腹板转角半径和波折角度影响较大,随腹板转角半径的增大而减小,随腹板波折角度的增大而增大。     

超千米公铁两用斜拉桥关键节点模型试验北大核心

为研究主桁整体节点构造的受力性能,结合在建沪通长江大桥,采用1∶2的几何缩尺模型,对其关键节点A60进行了模型试验研究和有限元理论分析。试验结果表明:在最不利荷载工况下,节点区域最大应力在材料的容许应力范围内,验证了节点设计的安全性与可靠性;节点最大应力出现在焊接处和圆弧过渡段,主要是该处应力集中所致;采用适当半径的圆弧过渡形式,可有效减小应力集中。试验结果验证了沪通桥关键节点设计的合理性,也为类似工程节点设计提供了重要依据。     

超千米公铁两用斜拉桥关键节点模型试验

为研究主桁整体节点构造的受力性能,结合在建沪通长江大桥,采用1∶2的几何缩尺模型,对其关键节点A60进行了模型试验研究和有限元理论分析。试验结果表明:在最不利荷载工况下,节点区域最大应力在材料的容许应力范围内,验证了节点设计的安全性与可靠性;节点最大应力出现在焊接处和圆弧过渡段,主要是该处应力集中所致;采用适当半径的圆弧过渡形式,可有效减小应力集中。试验结果验证了沪通桥关键节点设计的合理性,也为类似工程节点设计提供了重要依据。     

银西高速铁路渭河特大桥钢腹杆组合结构总体设计

银川至西安高速铁路渭河特大桥主桥设计方案受既有公路桥、防洪评价、美观性等多因素控制,上部结构首次采用3×60 m及4×60 m等跨度钢腹杆组合连续梁结构,参考既有类似结构尺寸并结合本桥实际情况拟定出钢腹杆组合结构的桁高、桁式、节间长度、节点形式等总体构造。根据施工方案采用有限元构建全桥杆系模型和实体模型,对该新型结构进行静力计算、实体分析,从总体上把握该结构受力性能。采用大比例缩尺模型试验对节点承载能力和破坏形态进行模拟。研究结果表明:采用钢腹杆组合结构能有效减轻结构自重,减小桥墩尺寸,其刚度指标、局部应力及节点区钢结构和混凝土协同工作能力均满足规范要求,结构受力性能优越,是一种值得推荐的桥型。     

广佛江珠铁路劳劳溪水道主桥设计研究

广佛江珠城际铁路劳劳溪水道主桥跨越通航水域,采用孔跨布置为(110+204+110)m的连续梁-钢桁组合结构。主梁采用变高度单箱双室预应力混凝土箱梁;中跨混凝土梁部设置加劲桁,与主梁采用外接式节点连接,节点板一半外露,采用高强度螺栓与腹杆连接,节点板另一半伸入主梁,采用PBL键与混凝土连接。采用有限元法建立全桥模型,确定加劲桁设置范围及桁高,研究加劲桁对结构刚度和内力的影响,并分析主桥静力、动力特性。结果表明:加劲桁高12 m,宽11 m,长168 m;连续梁-钢桁组合结构受力合理,通过设置加劲桁提高了桥梁竖向刚度、改善了梁端转角;该结构可有效降低结构建筑高度,满足机场限高要求,具有优良的动力性能和可靠的稳定性,各项设计计算值均满足规范和列车高速运行对桥梁设计的要求。     

南京大胜关长江大桥钢吊杆两端连接涡振疲劳性能的仿真分析

建立了南京大胜关长江大桥主桥钢桁拱吊杆整体及两端连接节点局部的有限元模型,分别对H形和切角矩形两种截面吊杆在涡振作用下节点处构造细节的疲劳性能进行了仿真分析,研究了不同截面形式吊杆两端节点的疲劳性能。研究结果表明钢拱桥吊杆涡振时,其两端连接节点极易出现疲劳损伤甚至破坏,且一旦发生涡振,切角矩形截面吊杆端节点比H形截面吊杆端节点更易出现疲劳破坏。     

芜湖长江大桥钢梁整体节点疲劳试验研究

芜湖长江大桥采用国内新研制的经微合金化处理的14MnNbq中强钢，最大板厚达50mm.采用先进的焊接整体节点，不同的构造细节形式，采用不同的焊接方法和工艺，具有各不相同的受力特性，残余应力分布和应力集中程度。文中以应力幅值σr为参数，对节点模型试验区内的6处等宽不等厚的对接焊缝，以及（棱）角焊缝，对接焊缝与（棱）角焊缝交叉，平联节点板，隔板角焊缝，节点板圆弧部位进行了试验分析，测量了节点应力分布，通过对节点旗加疲劳荷载，分析整体节点各构造细节的疲劳强度，对整体节点的抗疲劳性能给出了总的评价，认为，该桥梁的整体节点各构造细节布置合理，。焊接及制造工艺先进，各种构造细节均有足够的抗疲劳强度。     

铁路正交异性钢桥面板疲劳应力分析与寿命评估

以南京大胜关长江大桥为对象,建立铁路正交异性钢桥面板结构有限元模型,基于热点应力法对典型构造细节的疲劳应力进行计算分析,得到此类桥面结构的疲劳易损区。结合桥梁实际使用情况,基于美国公路桥梁设计规范(AASHTO规范)对桥面板典型焊接细节的疲劳寿命开展计算与评估,结果表明,疲劳Ⅰ与疲劳Ⅱ极限状态下5类疲劳易损构造细节的疲劳应力幅计算值均小于容许值,疲劳寿命满足设计要求。     

国家铁路局铁路优质创新工程简介(3)

正二、铁路桥梁工程1合福铁路铜陵公铁两用长江大桥工程概况铜陵公铁两用长江大桥是合福铁路跨越长江的重要通道,大桥搭载合福客专双线、庐铜I级铁路双线,公路通行六车道高速。主桥为(90+240+630+240+90)m的三主桁三索面钢桁粱斜拉桥。大桥首次采用大跨度公铁两用斜拉桥全焊桁片式钢桁梁结构。钢桁粱采用全焊整体节点、正交异性桥面系,铁路面为箱-板-桁组合结构,全焊桁片设计,两个节间为一个桁片单元。大桥主跨630m为世界已建公铁两用斜拉桥跨度之首,     

热点应力法进行钢桥疲劳检算

研究目的:随着钢桥的重载化和整体化,桥梁钢结构中出现了较多无法明确其名义应力、现行规范也无对应细节的复杂构造。在实践中,对于该类细节多采用原形疲劳试验的方法进行验证。但疲劳试验的长周期和高费用,制约了该类细节的快速应用和推广。本文旨在用热点应力进行钢桥疲劳检算,实现在设计阶段尽可能准确地评估复杂细节的疲劳性能的目的。研究结论:本文分析计算了多种接头的热点应力集中系数,采用热点应力集中系数法推导了钢桥疲劳检算的热点应力Shot～N曲线。BS5400规范多种构造细节的名义应力疲劳强度与导出的热点应力疲劳强度的对比表明,热点应力疲劳强度明显比名义应力法的离散性小,热点应力法适合桥梁工程应用。     

天兴州桥正交异性板焊接部位疲劳性能研究

武汉天兴洲桥是特大型公铁两用斜拉桥，其公路桥面采用了正交异性板的构造形成。运用有限元分析软件ANSYS和焊接疲劳试验方法，对正交异性板关键焊接部位（槽型闭口肋嵌补段对接处及闭口肋与横梁焊接处）的疲劳性能进行研究。采用ANSYS建立模型，用公路荷载标准进行桥面板应力分析，确定最不利荷载位置，进而计算得到正交异性板槽型闭口肋嵌补段对接处及闭口肋与横梁焊接处的最大应力幅分别为28．6和39．66MPa。疲劳试验结果表明，焊缝的焊趾是薄弱环节。由疲劳试验得出的槽型闭口肋嵌补段对接焊缝及闭口肋与横梁或横隔板连接焊缝的疲劳容许应力幅分别为89．31和49．14MPa，大于有限元计算得到的最大应力幅，说明正交异性板关键部位的疲劳性能符合要求。     

空间薄壁结构应力测试与分析

研究目的:以焦柳线4 m×128 m连续钢桁梁桥荷载试验为依托,论述空间薄壁结构应力测试的理论和方法,在理论计算和试验数据的基础上,分析主桁杆件的受力性能、传力特点、应力状态以及次应力影响。研究结论:通过分析表明:钢桁梁桥的主桁杆件主要承受轴向力作用,受力性质与设计理论一致;桥梁的空间传力作用与杆件间的连接刚度、杆件的位置以及荷载的作用点有关,按杠杆原理简化计算2片主桁间的荷载分配是偏于安全的;按空间梁单元模型计算的下弦杆应力比平面模型计算应力小9.9%~16.4%,"桥检规"中按平面杆系模型计算统计的结构校验系数通常值仅具有参考意义;主力组合下各测试杆件的实际应力小于设计允许应力,并有一定的强度储备;杆件的次应力与节点板和杆件本身的刚度成正比。     

双线铁路连续钢桁梁设计

在铁路桥梁中,连续桁架桥得到了越来越广泛的采用。结合某运煤专线双线栓焊下承式连续钢桁梁(48 3×64 48)m实例,介绍其主桁、桥面系及联结系等的构造形式,主桁杆件内力及疲劳验算所用的计算模型、计算结果,预拱度的设置,横向自振周期的计算,以及设计中须注意的事项。