正交异性钢桥面板U肋-盖板焊接节点的疲劳性能试验

为深入研究正交异性钢桥面板U肋-盖板焊接节点的疲劳性能及其破坏机理,设计了6个足尺试件模型开展试验研究。首先进行中心加载和偏心加载两种加载工况下的静力试验,对焊缝附近区域的钢板表面应力进行实测,得到热点应力分布规律及应力集中系数;随后进行不同热点应力幅下的高周疲劳循环加载,得到相应的疲劳破坏模式、疲劳寿命、疲劳裂纹扩展过程及速率、刚度退化等实测数据。结果表明:U肋-盖板焊接节点的最大热点应力位于盖板焊趾处;节点在循环荷载作用下的疲劳裂纹扩展过程大致分为裂纹萌生、裂纹稳定扩展、裂纹贯穿壁厚、断裂失效4个阶段,且裂纹贯穿盖板壁厚之后的剩余疲劳寿命可忽略不计;疲劳开裂初期的裂纹扩展速率较为稳定,裂纹贯穿盖板厚度之后的扩展速率明显加快;节点刚度在裂纹长度达到150 mm时开始出现下降趋势,并在裂纹贯穿盖板厚度之后发生刚度急剧退化。通过疲劳寿命数据对比,可以认为采用IIW规范的FAT100级S-N曲线对正交异性钢桥面板U肋-盖板焊接节点的疲劳寿命进行预测和评估是偏于安全的。     

钢桥面板疲劳裂纹耦合扩展机理的数值断裂力学模拟

为研究钢桥面板疲劳裂纹耦合扩展机理,建立焊接分析有限元模型,对纵肋-顶板连接细节、纵肋-横隔板连接细节的焊接全过程进行数值模拟,基于扩展有限元方法建立钢桥面板数值断裂力学模型,对疲劳敏感细节裂纹静、动态扩展行为进行分析。焊接过程分析结果表明:纵肋-顶板连接焊缝区域、纵肋-横隔板焊缝端部区域均存在较大的残余拉应力,峰值接近钢材屈服强度;横隔板挖孔边缘存在切向残余拉应力,峰值约为200 MPa。疲劳裂纹扩展行为分析结果表明:纵肋-顶板连接细节在车辆荷载单独作用下以受压为主,考虑残余应力场作用后细节处于拉-拉应力状态,疲劳裂纹为Ⅰ型主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹;车辆偏载作用下纵肋产生扭转变形,计入残余应力后纵肋-横隔板连接焊缝焊趾受拉开裂,萌生于纵肋焊趾、向纵肋腹板扩展的疲劳裂纹为Ⅰ型主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹,萌生于纵肋-横隔板连接焊缝横隔板侧焊趾和横隔板挖孔边缘的疲劳裂纹为Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹;纵肋对接细节的疲劳裂纹为Ⅰ型裂纹,车辆荷载作用下以受拉为主,位于纵肋底板弧形过渡区的裂纹相较于纵肋底板中间区域具备更强的扩展能力。     

新型半开口纵肋正交异性钢桥面板疲劳性能试验研究

为了改善常规正交异性钢桥面板的疲劳开裂问题,提出新型半开口纵肋正交异性钢桥面板结构,该结构通过在纵肋底部开口实现顶板与纵肋双面焊接,提高焊缝质量,降低纵肋与横隔板的刚度差。为验证该新型钢桥面板的疲劳性能,设计制作钢桥面板节段足尺模型进行疲劳试验,采用应力应变法、数字图像法、声发射法等技术监测应力和裂纹发展。结果表明:在1 000万次循环加载过程中,新型钢桥面板各构造细节处均未出现疲劳裂纹;与常规正交异性钢桥面板相比,新型钢桥面板纵肋与横隔板连接处的应力幅大幅降低;新型钢桥面板结构显著改善了正交异性钢桥面板的抗疲劳性能。     

设置U肋内隔板的钢桥面板疲劳性能研究

为研究U肋内隔板及其参数对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响,以某钢桁梁柔性拱铁路桥为背景,针对其钢桥面板制作2个足尺模型(试件1无内隔板,试件2设置内隔板)进行疲劳试验,研究疲劳裂纹的产生情况,采用ANSYS软件建立有限元模型,分析产生裂纹处纵肋腹板的应力分布情况,应用断裂力学方法评估钢桥面板的疲劳寿命,并分析内隔板参数对钢桥面板应力的影响。结果表明:纵肋腹板与横梁帽孔交汇处易发生疲劳裂纹,2个试件均在此处出现疲劳裂纹;设置纵肋内隔板能改善纵肋腹板与横梁帽孔交汇处的应力集中现象,有效提高纵肋腹板和横梁帽孔处的疲劳强度;内隔板厚度对钢桥面板的应力影响不大,适当增加内隔板高度差可减小纵肋腹板处主应力。     

U肋设小隔板和支撑板的正交异性板疲劳性能试验研究

为了解钢桥正交异性板U肋设置小隔板和支撑板对其疲劳性能的影响,以大岳高速洞庭湖大桥为背景,设计制作一个3跨钢桥面板节段足尺模型(其中1道横隔板处U肋设置小隔板和支撑板的优化措施),进行不同横向加载位置的静力试验和正载下的疲劳试验,分析有无改善措施时弧形切口、横隔板和U肋焊趾处主拉应力,以及疲劳裂缝开展情况。结果表明:静力试验中,与无改善措施相比,有改善措施的弧形切口、U肋焊趾的最大应力降幅分别达30%、68%,但横隔板焊趾处应力增加至弧形切口最大应力的130%;小隔板开孔可抑制横隔板焊趾处应力;疲劳试验模型出现4条裂缝,非直接轮压处、未开孔小隔板处的横隔板两侧焊趾均发生开裂,直接轮压处、有改善措施的横隔板焊趾处的疲劳开裂加载次数提高了89%;可将开孔小隔板和支撑板用于承受轮压荷载较大的重车道上。     

带大U肋的轻型组合桥面板基本力学性能

为综合解决正交异性钢桥面板疲劳开裂和铺装层易损的难题,提出了由正交异性钢桥面板与薄层超高韧性混凝土STC组合而成的轻型组合桥面板结构。由于STC层显著提高了桥面板的刚度,因此可对结构进行优化。在带U肋轻型组合桥面板的基础上,提出了带大U肋的轻型组合桥面板方案。将此方案拟应用于某大桥,与原结构相比,用钢量基本不变,而面板-U肋-隔板三者间焊缝总长度减少36%,不仅降低了施工难度,也减少了焊接缺陷,进一步解决了钢桥面板疲劳开裂的问题。采用4种不同的结构体系,建立了钢箱梁节段有限元模型,基于热点应力法,对体系的6个典型疲劳细节进行疲劳验算。结果表明：在大U肋轻型组合桥面板中,6个疲劳细节的应力水平与传统U肋轻型组合桥面板接近,降幅效果基本一致;同时,通过计算说明了大U肋轻型组合桥面板具有良好的横向受力性能,其栓钉也具有足够的抗疲劳性能。为探究此轻型组合桥面板STC层的纵向弯拉性能,开展了负弯矩条带足尺试验,确定大U肋轻型组合桥面板的STC顶层名义开裂应力为24.1 MPa,远超STC层计算最大拉应力10.92 MPa。以上分析初步表明：带大U肋的轻型组合桥面板有较好的疲劳和静力性能。     

正交异性钢桥面板典型细节的疲劳损伤分析

为研究正交异性钢桥面板典型疲劳细节在单轮荷载作用下的应力及疲劳损伤度,以福州长门特大桥为背景,采用ABAQUS有限元软件建立钢桥面板节段模型和3处易开裂部位(横隔板-U肋焊缝、横隔板处和横隔板间的顶板-U肋焊缝)的子分析模型,分析车轮荷载作用位置变化时疲劳细节的应力时程;并采用雨流计数法分析各细节处的应力幅,对疲劳细节进行疲劳损伤度分析。结果表明:单轮荷载顺桥向位于相邻横隔板间时,对横隔板处的顶板-U肋焊缝应力产生较大影响;荷载横向分布接近±750mm时,疲劳细节的应力时程曲线较为平缓,荷载对其应力的影响较小;疲劳损伤最大的是横隔板处的顶板-U肋焊缝焊根部位,该部位易产生疲劳破坏。建议在该部位增设钢角撑或钢板等,以降低该位置的应力幅和疲劳损伤度,提高结构的耐久性。     

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。     

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。     

正交异性钢桥面板实桥试验研究与应力分析

本文选取U肋与桥面板连接区域、U肋与横隔板交叉部位、U肋等细节,通过实桥静力试验,结合有限元模型分析,研究正交异性钢桥面板局部应力的大小和分布规律.结果表明:钢桥面板各关键构造细节的应力影响线都比较短,纵向应力主要受两个横隔板间距的影响,横向应力受与其相邻的两个U肋间距内荷载的影响;当车辆通过时,测点会出现多个应力循环;在U肋-横隔板连接焊缝附近,U肋腹板上的应力水平较高;横隔板弧形切口自由边缘两侧应力性质相反,一侧受压、一侧受拉,应力幅值较大,存在疲劳开裂隐患;因此设计中应该对构造细节进行详细研究分析,并注意焊接区域的细部设计与制造,避免疲劳开裂.     

大纵肋正交异性钢-免蒸养UHPC组合桥面板力学性能研究

为明确大纵肋正交异性钢-免蒸养UHPC组合桥面板的力学性能，进行免蒸养UHPC材料力学性能试验、构件静力模型试验与疲劳模型试验，分析其材料基本力学性能、剪力钉抗剪性能、组合桥面板抗弯性能及疲劳性能。结果表明：免蒸养UHPC材料的弹性模量略高于高温蒸养UHPC材料，其他力学性能指标相较于高温蒸养UHPC材料均有不同程度的降低；免蒸养UHPC中剪力钉的破坏模式表现为剪力钉根部剪断并伴有焊环局部UHPC压溃，组合桥面板名义开裂应力为13.7 MPa,满足结构抗裂性要求；组合桥面板的疲劳破坏模式表现为UHPC结构层开裂，继而纵肋与横隔板连接焊缝焊趾处疲劳开裂，组合桥面板的疲劳寿命最终由焊接细节的疲劳强度所控制；纵肋与横隔板连接焊缝的等效疲劳强度为157 MPa,满足现行规范要求。     

正交异性板纵肋—盖板连接的疲劳应力对比分析

为研究新型热轧纵肋正交异性钢桥面板的纵肋-盖板焊接接头的疲劳性能,以已有大跨度公路桥梁为背景,分别建立传统典型纵肋桥面板和新型热轧纵肋桥面板模型,利用ABAQUS有限元程序对多种轮位加载工况下2种桥面板的焊接接头关注点的疲劳应力幅进行对比分析,并分析了内横隔板对降低肋壁关注点应力幅所起的作用.研究表明,与典型纵肋桥面板相比,新型纵肋正交异性钢桥面板盖板上的应力关注点应力幅更小,而肋壁上的关注点应力幅稍大;在新型纵肋桥面板的肋壁内增设顶部小横隔板可降低其在荷载作用下产生的应力幅值;新型纵肋正交异性钢桥面板在自重和加工成本方面工程应用前景良好.     

钢桥面板U肋-横隔板连接接头应力分析

采用有限元方法对我国常用的实腹式横隔板扁平钢箱梁钢桥面板结构进行了应力分析,研究了U肋-横隔板连接接头疲劳裂纹的产生机理及主要影响因素,并对几种常见的横隔板弧形切口形状及内肋式构造、底部固定式构造等新型构造的效果进行了比较.研究表明,传统构造4和新型内肋式构造21的受力性能较为理想,但普遍适用于不同疲劳裂纹形式、加载条件、横梁高度、制造工艺的最优构造形式并不存在,需要采用基于性能的方法进行U肋-横隔板连接接头疲劳设计.     

钢-STC轻型组合桥面结构多参数分析

为综合研究STC层厚度、隔板厚度、栓钉间距对轻型组合桥面结构疲劳性能的影响,分析各参数间的协作性,得到基于该3种参数下轻型组合桥面结构的综合优化设计参数。以某大桥为工程背景,建立ANSYS局部有限元模型,对不同STC厚度、隔板厚度、栓钉间距情形下,钢桥面典型易疲劳开裂细节进行应力幅计算,并采用名义应力法对计算结果进行评估。基于有限元分析结果,得出以下结论:轻型组合桥面结构可以大幅提高钢桥面板的局部刚度,但对于整体刚度的贡献有限。各设计参数下的轻型组合桥面结构,对面板与U肋连接细节应力幅的改善作用均很大,而对其他细节改善作用则相对较小,U肋与隔板交叉处隔板裂纹细节为轻型组合桥面结构的开裂控制细节;STC层厚度由45 mm增加到60 mm可进一步降低钢桥面各疲劳细节应力幅;隔板变厚对U肋与横隔板交叉处隔板裂纹细节、U肋下缘对接焊缝细节应力幅改善较大,降幅为20%~29%;栓钉变密对U肋与横隔板交叉部位、弧形切口处细节改善作用明显,应力幅降低22.01%~27.96%;模拟的12种轻型组合桥面结构方案中,有7种方案的典型疲劳细节均满足疲劳强度设计要求,有一种方案理论上基本不会疲劳开裂。     

正交异性钢桥面板典型疲劳细节变形与裂纹尖端应力分析

为了解车轮荷载作用对正交异性钢桥面板典型疲劳细节的影响,以长门特大桥为背景,采用有限元法建立正交异性钢桥面板节段模型及易开裂部位的子模型,分析在不同横向荷载分布下3处典型疲劳细节受力及面内外变形,得到各细节最不利加载位置。对最不利位置进行加载,分析疲劳裂纹尖端应力强度因子变化规律,研究不同疲劳细节裂纹类型及扩展能力。结果表明:单轮荷载作用下,横隔板弧形缺口位置会发生面内外变形,顶板-U肋焊根处以面外变形为主,横隔板间的顶板-U肋焊缝焊根位置面外变形最大。在裂纹较短时,随着长度的增加,弧形缺口裂纹从张开型裂纹逐渐转向张开型、滑开型混合裂纹,且横隔板处的顶板-U肋焊根裂纹为复合型裂纹,横隔板间的顶板-U肋焊根裂纹为张开型裂纹。横隔板弧形缺口裂纹和顶板-U肋焊缝焊根裂纹的尖端应力强度因子的最大值,分别出现在裂纹长度为20 mm和40 mm附近,该处裂纹较容易继续扩展。     

正交异性钢桥面板疲劳验算规范对比

在车辆荷载作用下,正交异性钢桥面板的疲劳开裂对结构的疲劳性能以及使用安全性能具有较大的影响,钢桥面板中复杂的焊接连接细节成为裂纹出现的集中区域。依据在正交异性钢桥面板方面研究相对成熟的AASHTO、Eurocode和日本规范,结合我国公路钢结构桥梁设计规范(送审稿);通过数值分析得到疲劳敏感细节在各国标准疲劳车辆荷载下的应力响应,并按照规范对细节的疲劳强度进行验算。验算结果表明,疲劳细节的应力幅对轴重比较敏感;顶板与U肋细节的纵向影响线比横隔板与U肋焊接处的影响线短;顶板与U肋处细节和横隔板挖孔处细节更容易发生疲劳裂纹。     

新型UHPC—大纵肋波折板正交异性桥面板疲劳性能研究

新型UHPC—大纵肋波折板正交异性桥面板取消了顶板与纵肋焊缝,减少了横隔板与纵肋焊缝,为改善正交异性钢桥面板控制部位的疲劳性能提供了一个有效新途径。然而,由于波折板与横隔板保留横向焊缝,其疲劳风险仍然可能存在,故针对纵肋与横隔板位置的关键疲劳细节,采用数值分析并结合热点应力法对各参数影响下的轮载应力幅和疲劳寿命进行评估验证。结果表明,新型组合桥面板的大纵肋波折钢板及横隔板的疲劳寿命主要受弧形切口顶应力幅控制,施工时应加强切口打磨质量,防止疲劳开裂。另外,UHPC板厚增大、横隔板间距减小以及横隔板厚度加大时,各疲劳细节应力幅均有减小趋势,但加大纵肋高度或填充混凝土补强纵肋后,其各疲劳细节应力幅增减趋势并不一致。通过合理参数设计可使得各疲劳细节应力幅趋势均匀,获得优异的抗疲劳性能。     

钢桥面顶板-U肋焊缝表贴增强板材疲劳加固方法研究

针对正交异性钢桥面板顶板-U肋焊缝疲劳开裂问题,提出在顶板表面粘贴小尺寸增强板材的疲劳加固方法.采用碳纤维增强复合(CFRP)板和钢板2种疲劳加固板材,开展钢桥面局部区域足尺模型疲劳试验,采用热点应力法分析加固前后顶板-U肋焊缝的疲劳性能,最后根据线弹性断裂力学和有限元计算分析,对比分析不同加固板材下焊缝裂纹扩展过程中...     

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。     

正交异性钢桥面板足尺疲劳试验

以某大跨径斜拉桥采用的正交异性钢桥面板为工程背景,进行钢桥面板疲劳性能试验研究,足尺疲劳试验循环次数累积达到1 020万次.试验结果表明:加劲肋与盖板连接部位出现了纵向疲劳裂纹;加劲肋与横隔板连接的焊缝端部出现了在焊趾处萌生并沿加劲肋腹板扩展的疲劳裂纹;受焊接残余应力影响,处于疲劳荷载压应力区的腹板与横隔板连接焊缝端部也萌生了疲劳裂纹;横隔板挖孔部位无疲劳裂纹;若以测点应力发生变化为疲劳失效判据,则加劲肋与横隔板连接端部的疲劳细节高于AASHTO中D类和Eurocode的63类细节等级,加劲肋与盖板连接的疲劳细节高于AASHTO中D类和Eurocode的71类细节等级;若以出现疲劳裂纹为疲劳失效判据,则其疲劳细节高于AASHTO规范中D类和Eurocode的80类细节等级.