高疲劳抗力钢桥面板的疲劳问题Ⅰ：模型试验

正交异性钢桥面板的疲劳开裂问题是制约桥梁工程可持续发展的关键难题，亟需发展具有高疲劳抗力的正交异性钢桥面板。同时引入纵肋与顶板新型双面焊构造细节和纵肋与横隔板新型交叉构造细节2类构造细节，提出了一种高疲劳抗力钢桥面板，设计了2个足尺节段模型，通过模型试验确定了纵肋与顶板传统单面焊构造细节和新型双面焊构造细节的疲劳开裂模式和疲劳性能，采用扫描电子显微镜（SEM）确定了单面焊构造细节焊根和双面焊构造细节焊趾的初始微裂纹尺度；研究了纵肋与横隔板传统交叉构造细节和新型交叉构造细节的疲劳开裂模式。研究结果表明：纵肋与顶板传统单面焊构造细节的疲劳裂纹起裂于顶板焊根并沿顶板厚度方向扩展，其疲劳强度为98.7 MPa，新型双面焊构造细节的疲劳裂纹起裂于顶板内侧焊趾并沿顶板厚度方向扩展，其疲劳强度为123.2 MPa；传统单面焊构造细节焊根的初始微裂纹尺度显著大于新型双面焊构造细节焊趾的初始微裂纹尺度，初始微裂纹尺度的差异是2种开裂模式的疲劳抗力存在显著差异的主要原因；纵肋与横隔板传统交叉构造细节的疲劳裂纹起裂于纵肋腹板焊缝端部焊趾并沿纵肋腹板扩展，新型交叉构造细节的疲劳裂纹起裂于纵肋底板焊缝端部焊趾并沿纵肋底板扩展，2类构造细节的起裂次数基本一致，但新型交叉构造细节的疲劳裂纹扩展速率远低于传统构造细节；相同加载条件下，高疲劳抗力钢桥面板结构体系的疲劳寿命显著优于传统钢桥面板结构体系。     

高疲劳抗力钢桥面板的疲劳问题Ⅱ：结构体系抗力

为了深刻认识高疲劳抗力钢桥面板的疲劳特性，准确评估其结构体系的疲劳抗力，基于等效结构应力建立了考虑焊接微裂纹对钢桥面板疲劳性能劣化效应的结构体系疲劳抗力评估方法，并通过疲劳试验对所建立的评估方法进行了验证。在此基础上采用所建立的结构体系疲劳抗力评估方法对高疲劳抗力钢桥面板的疲劳开裂模式、疲劳抗力及其影响因素等相关关键问题进行系统研究。研究结果表明：焊接微裂纹的存在会显著降低钢桥面板的疲劳性能，导致主导疲劳开裂模式发生迁移；结构体系设计参数对纵肋与顶板双面焊构造细节和纵肋与横隔板新型交叉构造细节疲劳性能的影响有显著区别，其中纵肋与顶板双面焊构造细节的疲劳性能主要对顶板厚度的变化较为敏感，其疲劳性能随着顶板厚度的增加而显著提升，而纵肋与横隔板新型交叉构造细节的疲劳性能同时受多个参数的影响，其疲劳性能随着顶板厚度、横隔板厚度和纵肋高度的增大而提升，随着横隔板间距和纵肋底板与横隔板之间焊缝长度的增大而降低；传统钢桥面板的主导疲劳开裂模式为纵肋腹板与横隔板交叉构造细节围焊焊趾开裂，高疲劳抗力钢桥面板的主导疲劳开裂模式为纵肋底板与横隔板交叉构造细节纵肋焊趾开裂；相对于传统正交异性钢桥面板，高疲劳抗力钢桥面板结构实现了主导疲劳开裂模式的迁移，疲劳性能显著提高。     

基于等效结构应力法的正交异性钢桥面板体系疲劳抗力评估

正交异性钢桥面板的疲劳问题属于多疲劳失效模式下的结构体系疲劳问题,为研究其结构体系的疲劳失效模式和疲劳抗力,以典型的正交异性钢桥面板为研究对象,提出基于主导疲劳失效模式的结构体系疲劳抗力评估方法。由正交异性钢桥面板的重要疲劳失效模式入手,设计3组共8个足尺节段模型,通过疲劳试验研究确定纵肋与顶板焊接细节和纵肋与横隔板交叉构造细节的重要疲劳失效模式及其实际疲劳抗力;基于所提出的结构体系疲劳抗力评估方法,探讨引入镦边纵肋和双面焊等新型构造细节条件下正交异性钢桥面板结构体系的疲劳抗力问题。研究结果表明：纵肋与顶板焊接细节主导疲劳失效模式为疲劳裂纹萌生于焊根并沿顶板厚度方向扩展,而纵肋与横隔板交叉构造细节主导疲劳失效模式为疲劳裂纹萌生于端部焊趾并沿纵肋腹板扩展;初始制造缺陷会显著降低正交异性钢桥面板重要疲劳失效模式的疲劳抗力并导致疲劳失效模式迁移;对于正交异性钢桥面板的结构体系而言,引入新型镦边纵肋与顶板焊接细节无法提高结构体系的疲劳抗力;而引入纵肋与顶板新型双面焊细节,可使结构体系的主导疲劳失效模式迁移至顶板焊趾或纵肋与横隔板交叉构造细节,结构体系的疲劳抗力得到显著提高。     

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。     

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.     

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。     

大纵肋正交异性组合桥面板疲劳性能研究

在大纵肋正交异性钢桥面板结构中引入混凝土结构层,通过栓钉将钢桥面板与混凝土结构层组成新型大纵肋正交异性组合桥面板,是从结构体系层面提高大纵肋正交异性钢桥面板疲劳性能的有效途径。基于有限元数值分析,明确了大纵肋正交异性组合桥面体系对于钢桥面板典型疲劳易损细节的应力幅改善效果;采用足尺节段模型试验对结构的关键疲劳易损细节进行了疲劳试验研究,验证了关键疲劳易损细节在设计寿命期内的抗疲劳安全性和混凝土结构层在疲劳荷载作用下的耐久性,在此基础上对关键疲劳易损细节的疲劳损伤演化及结构体系的疲劳破坏模式进行了试验与理论研究。研究结果表明:大纵肋正交异性组合桥面板结构体系能够显著降低U肋与顶板以及U肋与横隔板连接细节的应力幅,横隔板开孔部位是控制钢桥面板疲劳性能的关键构造细节;设计寿命期内钢桥面板疲劳性能与混凝土结构层的疲劳耐久性均满足要求,且具有一定的安全储备;混凝土结构层负弯矩区疲劳开裂对钢桥面板各疲劳易损细节疲劳性能的影响不显著;大纵肋正交异性组合桥面板的疲劳破坏模式表现出典型的两阶段特征,栓钉发生疲劳断裂并导致组合效应局部劣化,进而加速钢桥面板关键疲劳易损细节的疲劳损伤累积速度并最终发生疲劳开裂。     

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.     

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。     

钢桥面板纵肋与横隔板交叉细节疲劳应力有限元分析

为系统探究纵肋与横隔板交叉细节的疲劳特性,以某斜拉桥钢桥面板为研究背景,利用ANSYS有限元软件,对2跨3纵肋节段疲劳模型进行了数值模拟.研究结果表明:当疲劳车轮载单侧前后轮中心线通过横隔板正上方时,纵肋与横隔板交叉细节的疲劳应力幅达到最大;在欧规疲劳车荷载下,围焊焊趾处疲劳应力幅为83.6 MPa,横隔板开孔圆弧线上的最大疲劳应力幅为120.2 MPa.     

钢桥面板纵肋双面焊构造疲劳裂纹扩展特性研究

正交异性钢桥面板纵肋构造细节疲劳危害严重，修复困难，传统单面焊构造疲劳抗力不足是导致该部位疲劳开裂频发的主要原因。采用双面焊构造可望显著提高该构造细节的疲劳抗力，而初始焊接缺陷是该类构造细节疲劳抗力的关键影响因素。以双面焊构造为研究对象，基于线弹性断裂力学理论，建立多裂纹扩展模拟方法，通过多裂纹扩展试验验证该方法的可行性；在此基础上，对焊根处存在单一和多个初始缺陷条件下构造细节疲劳裂纹扩展特性进行研究。结果表明：外侧焊根单裂纹、内侧焊根单裂纹与焊根多裂纹扩展模式均为Ⅰ型开裂主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹扩展模式；多裂纹扩展特性并不显著，多裂纹在扩展初期由于临近裂纹等效应力强度因子幅值的迅速降低而转变为单一裂纹，此后其扩展规律与外侧焊根单裂纹扩展规律基本一致；3种裂纹在扩展初期裂纹形状比变化规律存在差异，但随着扩展深度的增加，等效应力强度因子幅值下降段变化规律基本一致，裂纹扩展达到一定深度后均呈扁平状且随扩展深度增加扁平状趋势更加显著；外侧焊根处的单一缺陷是控制钢桥面板纵肋双面焊构造疲劳抗力的主要缺陷，制造时应采取有效措施避免这类缺陷。     

钢桥面板纵肋对接焊缝疲劳开裂主动加固方法研究

为实现钢桥面板纵肋对接焊缝疲劳开裂的主动加固,提出基于铁基形状记忆合金(Fe-SMA)的主动加固方法,即通过栓接Fe-SMA并采用热电阻激励使其自动产生预应力实现主动加固。为验证其有效性,采用ANSYS软件建立港珠澳大桥的单纵肋节段试验模型的实体有限元模型,利用线弹性断裂力学对纵肋对接焊缝处疲劳裂纹前缘的应力强度因子进行了分析,研究了基于Fe-SMA的主动加固方法的加固效果及预应力水平对主动加固效果的影响。结果表明:纵肋对接焊缝的疲劳裂纹扩展以Ⅰ型开裂为主导,疲劳裂纹出现后,扩展速率加快,严重影响结构安全性;基于Fe-SMA的主动加固方法对未穿透型疲劳裂纹有良好的加固效果,当裂纹深度较大时,应适当提高加固件的预应力水平以增强加固效果;为保证纵肋对接焊缝细节处各种尺寸的未穿透型疲劳裂纹均达到理想止裂状态,预应力水平至少为300 MPa。     

钢桥面板纵肋顶板焊缝疲劳裂纹扩展的关键影响因素

正交异性钢桥面板疲劳问题突出，纵肋与顶板焊缝处是其关键疲劳易损部位，研究该部位疲劳裂纹的扩展过程并确定关键影响因素及其效应，有助于深刻理解其疲劳损伤机理。建立正交异性钢桥面板疲劳试验节段模型的有限元分析模型，将纵肋与顶板焊缝焊根处的疲劳裂纹近似为半椭圆形裂纹，基于断裂力学实现其扩展全过程的三维数值模拟。在此基础上研究初始裂纹的纵向位置和初始裂纹形状对疲劳裂纹扩展过程的影响，阐明扩展过程中的疲劳裂纹的形状变化，以及疲劳裂纹关键部位应力强度因子幅值的变化规律。研究表明：对于典型的正交异性钢桥面板纵肋与顶板焊缝，在纵向一段范围内，初始裂纹的纵向位置对裂纹扩展的影响不大；初始裂纹形状对裂纹扩展的影响主要体现在裂纹扩展的初始阶段，经过一段时间的扩展之后，不同形状的初始裂纹将演变为相对稳定的形状；持续一段时间后，裂纹将逐渐变得较为扁长；疲劳裂纹在深度方向上扩展超过约顶板厚度一半时，最深点的扩展速率将会减慢；深度相同的裂纹，形状越扁长时越倾向于向深度方向扩展，越不扁长时越倾向于向长度方向扩展。     

钢桥面板纵肋-顶板焊缝细节疲劳裂纹的应力强度因子分析

为研究正交异性钢桥面板纵肋-顶板焊缝位置的疲劳裂纹扩展特性,以某钢箱梁斜拉桥为工程背景,基于线弹性断裂力学与扩展有限元方法,通过ABAQUS软件建立纵肋-顶板三维裂纹扩展模型,引入半椭圆初始裂纹,对焊根与焊趾裂纹尖端的应力强度因子进行分析.分析结果表明,在车辆荷载的作用下,纵肋-顶板连接细节的疲劳裂纹是以Ⅰ型为主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹;裂纹在横向位于车轮正下方,纵向位于两车轴中间时,疲劳裂纹扩展趋势最大;在车辆经过裂纹附近2 m范围内时,应力强度因子在最值间波动,对裂纹扩展产生较大影响.     

初始缺陷角度对钢桥面纵肋顶板焊缝应力强度因子影响分析

初始缺陷在钢桥面板工厂焊接加工时难以避免,是影响钢桥面疲劳性能的重要内在因素。为研究初始缺陷角度对纵肋顶板焊缝疲劳开裂的影响,建立了包含典型初始缺陷工况条件下的有限元模型,分析得到了裂纹前缘应力强度因子。计算结果表明：竖向初始缺陷状态下的裂纹扩展能力最强;初始缺陷从竖向偏转至45°过程中,偏转角越大,张开型应力强度因子越小,滑开型和撕开型应力强度因子越大。断裂参数数值计算方法与分析结果可为相关钢桥面构造抗疲劳分析提供参考。     

钢桥面板纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹扩展三维模拟方法

为了深刻认识正交异性钢桥面板的疲劳特性,准确评估其疲劳抗力,对纵肋与顶板焊接细节进行了三维疲劳裂纹扩展模拟。提出了一种主要针对椭圆或半椭圆形疲劳裂纹的扩展模拟方法,采用相互作用积分法计算裂纹尖端处的应力强度因子K,作为三维裂纹模拟的基本参量。以青山长江公路大桥正交异性钢桥面板疲劳试验节段模型为研究对象,将纵肋与顶板焊接细节处的疲劳裂纹近似为单个半椭圆形裂纹,对其扩展过程进行三维模拟,通过试验结果验证了所提方法的有效性。在此基础上将初始裂纹分别设置于焊根和顶板焊趾,探讨了顶板厚度和U肋形式对于纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹扩展特性的影响问题。研究结果表明：所提出的方法能够准确模拟纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹的扩展过程,适用于其疲劳问题研究;增加顶板厚度能够有效改善纵肋与顶板焊接细节处的疲劳性能;相对于传统纵肋与顶板焊接细节而言,顶板与镦边U肋焊根和焊趾处的疲劳裂纹扩展特性和疲劳抗力没有显著差别,顶板与镦边U肋焊缝构造细节难以显著改善焊根和顶板焊趾处的疲劳性能;萌生于焊根并向顶板扩展的疲劳失效模式是控制传统纵肋与顶板焊接细节和顶板与镦边U肋焊缝构造细节疲劳性能的主导疲劳失效模式。