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.      

钢-超薄UHPC层轻型组合桥面性能研究

提出一种钢-超薄UHPC(Ultra-High Performance Concrete)层轻型组合桥面,既使得该组合桥面能运用于铺装层较薄的桥面结构,又降低了正交异性钢桥面的疲劳开裂风险,避免了沥青铺装的病害问题。以某大桥为工程背景,从有限元分析和试验两方面对此结构的性能进行研究。结果表明:35 mm UHPC层对正交异性钢桥面板受力性能改善明显,顶板应力幅下降达到68.72%,U肋和横隔板接近14.74%~34.11%,可大大降低钢桥面板疲劳开裂风险。试验得出的UHPC层横桥向开裂强度26.3 MPa,大于有限元计算下车辆荷载作用产生的最大应力7.36 MPa,证明了此组合桥面结构的可行性。     

闭口肋正交异性钢桥面板应力分析

正交异性钢桥面板在车辆荷载作用下将产生极大的面外弯矩,由于桥面板与纵肋的相对厚度较小,这种面外弯矩将导致较高的弯曲应力进而使构件产生裂纹。用大型有限元分析软件ANSYS对正交异性钢桥面板在板．肋连接处的应力状况进行了数值计算。计算结果表明桥面板应力一般大于纵肋应力,可在横截面加设内横隔板以改善结构受力,同时帽孔尺寸不宜过大,设为25mm较为合适。     

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。      

开口加劲肋正交异性钢桥面铺装力学分析

以开口加劲肋正交异性钢桥面铺装体系作为研究对象,建立了包括桥面板和铺装的整体三维有限元分析模型,研究了荷载作用下铺装层的力学特性.分析表明,横向拉应力是开口加劲肋正交异性钢桥面铺装设计的一个重要控制指标;开口加劲肋正交异性钢桥面铺装层间剪应力较大,在铺装结构设计时应注意选择具有较强抗剪强度的粘结材料;开口加劲肋正交异性钢桥面铺装对车辆荷载的应力应变响应具有很强的局部效应.     

钢箱梁桥面板构造对焊缝疲劳热点应力的影响

通过建立钢箱梁桥面板有限元模型,采用子模型计算了模拟焊缝位置,分析了不同构造尺寸下焊缝位置热点应力,研究了顶板厚度、U肋宽度及板厚、横隔板间距及板厚、铺装厚度及刚度等对焊趾和焊根处疲劳应力的影响。研究结果表明:随着顶板厚度和铺装层厚度及刚度的增加,焊缝位置热点应力减小;随着U肋板厚和上缘宽度的增加,焊缝处热点应力增加;随着U肋高度和横隔板间距及厚度的增加,热点应力变化不明显。顶板的厚度增加时,焊趾与焊根应力之比减小,可导致焊趾-顶板裂纹的概率增加。     

基于模型试验的城市轨道交通正交异性钢桥面板应力特征研究

在轨道交通桥梁实际运营过程中,由于桥面板的结构特点以及轨道车辆荷载大小的时变性,桥面板往往处于较为复杂的时变三轴应力状态,现行规范并不能很好地指导其设计与施工,针对轨道桥梁桥面板的深入研究也较为匮乏.为了对其应力特征进行研究,借助正交异性钢桥面板足尺节段模型疲劳加载试验得到了桥面板、U肋及横隔板处的测点应力数据,通过比...     

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。      

正交异性板桥面铺装受力影响因素分析

采用有限元方法,分析了正交异性板桥面铺装在结构和荷载因素变化时受力状态的变化规律;比较了有无纵隔板、桥面板厚度、加劲肋板厚度对受力的影响;分析了竖向、水平荷载对铺装层受力的影响。结果表明:有纵隔板时的横向拉应力为全桥面的铺装拉应力控制指标;增大桥面板厚度有利于减少桥面刚度不均,减小铺装层内的应力;加劲肋厚度的变化对加强结构刚度有利却对桥面铺装的受力不利;超载对应力状态极为不利,紧急制动产生的水平力会导致很大的纵向拉应力。     

高速铁路正交异性桥面板疲劳细节的应力分析

利用ANSYS软件对正交异性钢桥面板建立了有限元模型,取客运专线的“标准ZK活载”作为列车荷载,分析了面板-U肋-横梁三者交叉处、U肋-横梁连接处及横梁开孔圆弧处的局部应力.分析结果表明:桥面板的应力主要集中在U肋、横梁、桥面板三者相交的部位;沿U肋一周有明显的应力集中;横梁开孔处为整个桥面板中局部应力水平较高的位置,...     

新型正交异性钢板-STC组合桥面结构研究与应用

为综合解决钢桥面体系中正交异性钢桥面结构疲劳开裂和沥青混凝土铺装层易损两种病害问题,本文提出了新型正交异性钢板—超高韧性混凝土(STC)组合桥面结构,基于广东省肇庆市马房大桥,开展了新型正交异性钢板—STC组合桥面结构足尺模型试验。试验结果表明,STC具有良好的抗拉性能,其最大拉应变达到955με而未出现开裂,因而能够适应马房大桥上的受力状态。2011年,新型正交异性钢板—STC组合桥面结构成功应用于马房大桥第11跨,各道施工工序均方便可行,且现浇的STC层经高温蒸汽养护后,未出现任何收缩裂缝。同时,实桥检测表明,增设STC层后,桥面系的局部刚度显著提高,车载引起桥面系构件中的局部应力降低了80%—92%,将有助于提高桥面系的抗疲劳寿命。     

夹心钢板系统加固正交异性钢桥面板的性能分析

正交异性钢桥面板广泛应用在现代钢桥中,但在车辆荷载作用下,由于较高的应力集中易引起关键焊接部位的疲劳裂纹,采用夹心钢板系统（SPS）对正交异性钢桥面板进行加固。通过ANSYS软件建立了正交异性钢桥面板及其SPS加固层的三维有限元模型,在不同的荷载工况下,分析了按我国现行规范规定的车辆荷载的两个后轴共同作用下桥面板的应力分布特征,并与加固前的应力状态进行了对比。结果表明：骑U肋加载在桥面板时U肋焊接处产生的横桥向应力最大;采用SPS对正交异性钢桥面板进行加固的效果良好,与加固前相比,可较大幅度地降低钢桥面板的应力,更有助于抵抗钢桥面板疲劳裂纹的产生。     

波形顶板-UHPC组合桥面板优化设计

为解决正交异性钢桥面板的疲劳问题,从其根本原因和提高其抗疲劳性能的基本途径出发,提出一种新型波形顶板-UHPC（超高性能混凝土）组合桥面板结构体系.确定影响新型桥面板受力特性的主要参数及其合理取值范围,使用基于BP（back propagation）神经网络的优化设计模型对结构进行优化设计,就所优化的结构尺寸进行疲劳性能测试.研究结果表明:该结构能大幅减少桥面板结构中的几何构型不连续部位数量和焊缝数量,显著提高顶板局部刚度;波形钢板高度、顶部和底部水平段宽度是结构受力性能的重要影响参数;基于BP神经网络的优化设计模型适用于该类桥面板结构的优化设计,最大误差为4.4%;新的结构体系具有良好的疲劳性能,疲劳寿命超过200 a,为正交异性钢桥面板的疲劳问题提供了较好的综合解决方案.      

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。      

基于疲劳等效的钢桥面铺装体系轴载换算方法

针对钢桥面铺装设计必须控制的疲劳和车辙主要破坏形式,提出了钢桥面铺装结构设计的疲劳指标与车辙指标,遵循疲劳和车辙等效轴载换算原则,应用疲劳等效原理,推导出基于疲劳等效的钢桥面铺装体系轴载换算公式。根据室内疲劳试验及力学分析结果,确定了该公式中的换算指数和其他轴型与轮组轴载换算为单轴双轮组的轴载换算系数。结果表明,对于钢桥面浇注式沥青混凝土铺装体系的轴载换算指数为4．35,对于钢桥面改性沥青SMA铺装体系的轴载换算指数为5．30,对于钢桥面环氧沥青混凝土铺装体系的轴载换算指数为6．25,在钢桥面铺装设计与验算中,经换算其结果较为精确、可行。