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.     

不锈钢复合桥面连接疲劳性能试验研究

针对大跨度钢桥整体钢桥面采用不锈钢复合钢板的特殊构造进行疲劳试验,研究的构造包括不锈钢复合钢板与普通钢板对接焊缝构造、不锈钢复合钢板不等厚对接焊缝构造、不锈钢复合桥面侧边设置排水孔。试验结果表明:不锈钢复合钢板与普通钢板对接焊缝构造、不锈钢复合钢板不等厚对接焊缝构造疲劳的起裂部位均在不锈钢复合钢板的碳钢基板侧;不锈钢复合桥面侧边设置排水孔,其疲劳裂纹沿着模拟挡砟墙的附连件角焊缝的焊趾开裂;不锈钢复合钢板在加工中的复合形式对疲劳性能的影响较小;通过疲劳试验得到了3组构造细节的疲劳曲线和钢板对应的容许应力幅,可为相应构造细节疲劳设计提供依据。     

钢桁梁全焊桁片腹杆与节点焊接连接细节疲劳性能试验研究

为避免焊缝交叉,钢桁梁全焊桁片中,腹杆与节点连接采用带半圆过焊孔的焊接构造。为评估钢桁梁全焊桁片腹杆与整体节点焊接细节抗疲劳性能,对其进行有限元数值模拟及疲劳试验研究。根据实际焊接细节结构特点,基于应力场相似原则完成试验模型设计。利用ANSYS建立实桥结构及试验模型的有限元模型,对应力分布状态及应力集中系数进行比较分析。采用3组9个试件,完成不同应力幅下钢桁梁全焊桁片腹杆与节点连接构造典型焊接细节的疲劳试验,通过数据拟合得到该焊接细节的S-N曲线。结合其他既有疲劳试验数据及欧洲规范、日本规范对该焊接细节疲劳性能进行评估。结果表明:过焊孔与翼缘焊接部位存在较大的应力集中,对焊接节点的疲劳性能有较大削弱;反复荷载作用下,过焊孔与翼缘板交接焊趾处首先产生疲劳裂纹。     

大型钢结构厚板对接焊接变形试验研究

针对国内外现有预测钢板对接焊接变形的经验公式不适用于大型钢结构厚板的现状,结合南京长江第三大桥钢塔的制造,开展厚板足尺模型对接焊接变形试验研究.结果表明:为了减小焊接变形,必须对厚板对接坡口尺寸进行优化,并采用合理的焊接顺序,对于非对称X形坡口,宜先焊大坡口侧,后焊小坡口侧,对于不同板厚应合理预设反变形;结构自承对焊接变形影响较大;厚板对接焊接的横向变形随板厚的增加而线性增大;纵向变形与焊缝面积成正比,且随着板厚增加而减小;角变形随板厚的增加呈指数趋势减小.依据试验结果,给出厚板对接焊接横向、纵向变形和角变形的预测经验公式.     

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。     

高速动车组角焊缝应力集中的识别方法

针对高速动车组焊接构架角焊缝处应力集中无法采用名义应力法识别的问题,基于结构应力法,将角焊缝焊趾处的非线性应力分解为满足外载荷平衡的结构应力和自平衡的缺口应力,然后根据力的平衡方程得到各节点力及其力矩与线力及其线力矩间的对应关系,进而推导出结构应力的计算公式,并给出角焊缝应力集中识别流程;基于所给出的算法和识别流程,采用C/C++以及ANSYS软件提供的APDL语言开发出焊接结构应力识别专用软件WSS,对某高速动车组焊接构架上诸多角焊缝应力集中进行识别,验证了基于结构应力的角焊缝应力集中识别方法不仅能给出应力集中的具体位置,还能给出具体的应力峰值及其对应的疲劳寿命,可用于优化高速动车组焊接构架的抗疲劳设计。     

钢桁梁桥主桁杆件厚板焊接残余应力空间分布试验研究

为研究某钢桁梁桥主桁杆件钢厚板焊接残余应力的空间分布规律,采用与实桥相同的材料和焊接工艺制作30 mm厚的对接焊试板,用局部逐层去除盲孔法对试板表层及内部残余应力进行测试,并对测量结果进行不确定度评定。试验结果表明:厚板表面焊接残余拉应力峰值位于焊缝附近区域,残余应力呈典型的拉-压分布趋势;内部横向残余应力在焊缝附近的分布状态为外拉内压,并且在上表层具有较大的应力梯度;内部纵向残余应力在焊缝附近为拉应力;随着距焊缝中心线距离的增加,纵横向残余应力皆开始逐渐减小,直至转变为压应力。     

超声波冲击消除钢结构桥梁焊接残余应力的试验研究

根据重庆市江津观音岩长江大桥各梁段和锚拉板的施工制作工艺,以足尺比例制作3个索梁锚固区域锚拉板与工字型截面主梁的连接试件,进行超声波冲击消除钢结构桥梁焊接残余应力的试验研究.结果表明:焊接后,各焊缝存在着相当大的焊接残余应力,很多焊缝平行焊缝长度方向的焊接残余应力在300 MPa(拉应力)以上.实施超声波冲击后,熔透角焊缝X方向的焊接残余应力平均下降50%以上,Y方向平均下降60%以上;丁字型接头焊缝X方向的焊接应力平均下降89.7%,Y方向平均下降96.5%;有些测点的焊接残余应力从拉应力变为压应力.可见,超声波冲击可大幅度削减焊缝的焊接残余应力的峰值(尤其是对高焊接残余应力的焊缝),并能使焊接应力的分布更趋合理化,明显改善锚拉板区域的受力状态,有利于提高焊缝的疲劳强度.     

钢桥对接焊缝残余应力及变形场数值分析与试验验证

为研究钢桥对接接头焊接残余应力及变形场的分布规律,基于ABAQUS软件建立16mm厚Q345qD钢板多层对接焊三维有限元模型,对焊接残余应力及变形场进行模拟预测,并对模拟结果进行试验验证。结果表明焊接残余应力和变形的数值模拟结果与试验实测值吻合较好。对接接头纵向焊接残余应力沿垂直于焊缝方向成拉-压分布状态,其最大值位于热影响区,约为350 MPa,接近材料的屈服强度;纵向残余应力在距焊缝中心60mm范围内为拉应力。横向焊接残余应力的应力水平相对较低,最大值约为100 MPa。焊接变形主要以平面外变形为主,变形模式为马鞍形,最大变形值发生在试板中部远离焊缝中心的外边缘。     

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"。