泰州大桥钢箱梁疲劳损伤评估及试验研究

通过三维仿真模型进行泰州大桥全桥动力响应分析,确定主梁最不利疲劳损伤截面。针对最不利截面的顶板与U肋连接细节进行疲劳应力测试,分析其疲劳损伤特征,并开展疲劳试验,采用名义应力法评价该细节疲劳强度。研究表明:泰州大桥钢箱梁跨中截面为疲劳损伤不利截面。在目前的交通流量下,跨中截面顶板与U肋焊缝处顶板测点的最大应力幅值远低于BS5400规范推荐的疲劳极限值。泰州大桥顶板与U肋构造细节的疲劳强度满足规范的规定要求。     

正交异性钢桥面板U肋对接焊缝疲劳寿命评估

基于江阴长江大桥U肋对接焊缝实时动态应变监测,结合雨流计数法以及BS5400规范,对江阴长江大桥正交异性钢桥面板U肋对接焊缝疲劳寿命进行了研究。通过标准车辆荷载模型以及车流仿真模拟,获得移动车辆荷载作用下焊缝处的应力变化,进行了损伤度计算,并将数值计算与实测分析结果作了详细对比。实测结果表明:慢车道与快车道应力幅分别为70与110 MPa,均超过了该部位的疲劳极限值,随着疲劳损伤累计可能发生破坏。计算结果显示车辆经过桥面时焊缝处产生了较大的应力幅,但以损伤累计以低循环累计为主。慢车道U肋对接焊缝处疲劳寿命低于大桥设计寿命,应当及时给予关注。     

基于ANSYS的钢桥面板横隔板处纵肋与顶板焊接细节疲劳应力分析

为研究钢桥面板横隔板处纵肋与顶板焊接细节疲劳性能,基于ANSYS有限元软件,采用热点应力法,建立了2跨5U肋疲劳节段有限元分析模型。研究结果表明:得到了疲劳单车模型三种加载工况下的横隔板处纵肋与顶板焊接细节纵向热点应力历程曲线,U肋正上方加载工况为控制工况,其应力幅值为81. 4MPa,轮载位于横隔板正上方时疲劳应力达到峰值,在进行钢桥面板结构设计时,应尽可能将轮迹线布置在U肋之间,以避免疲劳开裂。     

钢桥面板U肋-盖板焊缝疲劳裂纹萌生仿真

为建立适用于钢桥面板U肋-盖板焊缝疲劳裂纹萌生分析方法,以Roe-Siegmund循环内聚力模型为基础,考虑混合加载模式下的内聚力参数转换,对ABAQUS进行二次开发,形成反映疲劳累计损伤的VUMAT子程序;通过试验数据获得了Q345钢材对应的焊接区域材料内聚力参数,基于Voronoi图法、焊接区域晶粒微观形态与力学特性建立了U肋-盖板焊缝焊趾处微观晶粒组织,并与宏观二维平面应变模型合并,模拟了多尺度疲劳裂纹萌生;结合等效结构应力法和线弹性断裂力学裂纹扩展理论,考虑初始缺陷形态和疲劳断裂临界标准反推了不同应力水平下的累积内聚力长度,进而得到疲劳裂纹萌生寿命的计算方法。分析结果表明：采用提出的方法模拟U肋-盖板焊缝焊趾裂纹萌生行为时,裂纹在焊趾处萌生并垂直于顶板表面进行扩展,形成了穿晶断裂模式,微观晶粒组织应力分布随裂纹萌生及短裂纹扩展而不断变化,且随着微观晶粒组织分布和力学特性的随机性变化,仿真结果中的短裂纹扩展路径细节与临界循环次数均不相同;反推得到的累积内聚力长度随初始缺陷形状比、长裂纹扩展临界深度、微观晶粒组织分布及其力学特性以及所处应力幅值的不同产生变化,考虑上述因素获取的累积...     

基于监测样本的大跨索桥疲劳应力概率分布函数的参数估计和检验

疲劳应力监测是大跨桥梁结构健康监测和安全评估的关键环节。为了对桥梁实际运营状态和应力水平有总体而全面的认识,就需要对采集的大量数据进行统计分析获取其概率分布函数。以润扬大桥结构健康监测系统记录的悬索桥钢箱梁应变时程数据为基础,分析了润扬悬索桥半年内疲劳应力谱的特征．基于监测得到的应力谱样本进行了疲劳应力幅概率密度函数的参数估计和检验,拟合得到疲劳损伤增量的概率密度函数。研究结果表明：目前润扬桥应变监测部位的等效应力幅较低,最大应力幅远未达到引起疲劳损伤的阎值：半年应变样本的相对疲劳损伤增量服从对数正态分布或者Weibull分布;且以监测数据分析得到的相对疲劳损伤增量所得到的可靠度指标较高,失效概率较低,与当前工作应力状态较低的现状相吻合。     

横隔板弧形缺口疲劳性能试验研究

为研究正交异性钢桥面板横隔板弧形缺口易损细节的受力特性和疲劳性能,根据某钢箱梁尺寸制作了单U肋足尺模型,进行了120 kN荷载幅的疲劳试验,并分别采用热点应力法和名义应力法评估了弧形缺口焊接细节及非焊接细节的疲劳寿命.试验结果表明,足尺模型两个弧形缺口焊缝端部位于U肋腹板上的焊趾处分别在经历31.7万次和58.3万次的加载后出现裂纹,焊接质量是两处细节疲劳性能差异显著的原因;100万次加载后未见其他新裂纹出现.基于IIW推荐的FAT90级和F100级两条热点应力S-N曲线对焊缝端部细节进行寿命评估时,位于U肋腹板上细节的疲劳寿命分别是35.2万次和48.8万次,位于横隔板母材上细节的疲劳寿命分别是161.9万次和224.0万次;基于Eurocode 3中的71级名义应力S-N曲线评估的弧形缺口自由边细节的疲劳寿命是302.2万次.研究结果表明,弧形缺口焊缝端部位于U肋腹板上细节最易出现疲劳裂纹,实际工程中应重点关注;推荐采用IIW中的FAT90级热点应力S-N曲线对该细节疲劳寿命进行评估.     

斜拉桥钢桥面板顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群数字疲劳试验

为研究多场耦合作用下斜拉桥钢桥面板疲劳裂纹的扩展机理，建立了跨尺度斜拉桥全桥数字疲劳试验模型；通过模拟顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处多道焊缝的焊接全过程，将焊接残余应力引入数字疲劳试验模型中；基于扩展有限元法，在多场耦合作用下对顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处典型疲劳裂纹进行扩展机理的数字断裂参数分析与扩展行为的数字疲劳试验。研究结果表明:在顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处存在较大的残余拉应力，其最大值接近钢材的屈服强度，焊接残余应力对钢桥面板疲劳性能的影响不可忽略；后续焊缝会影响已有焊缝区域的应力场分布，在分析计算多道焊缝影响区域的焊接残余应力场时，需模拟多道焊缝的焊接全过程；在恒载应力场、活载应力场和焊接残余应力场的多场耦合作用下，按复合型裂纹扩展的工程准则，顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处4种典型疲劳裂纹的最大等效应力强度因子幅均大于疲劳裂纹扩展阈值，均将在疲劳循环荷载作用下发生疲劳扩展；在多场耦合作用下，过焊孔上方顶板-U肋连接焊缝的顶板侧焊趾处疲劳裂纹和U肋侧焊趾处疲劳裂纹均为以Ⅰ型裂纹为主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹，Ⅱ型和Ⅲ型裂纹的影响不容忽略；过焊孔上方顶板-U肋连接焊缝的顶板侧焊根处疲劳裂纹和横隔板过焊孔边缘处疲劳裂纹均为Ⅰ型裂纹；建立的多场耦合作用下多尺度数字疲劳试验可为运营阶段大跨度桥梁钢桥面板疲劳裂纹的扩展提供分析与模拟方法。      

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。      

XFEM及其在正交异性钢桥面板疲劳裂纹扩展中的应用

为了研究某大桥扁平钢箱梁正交异性钢桥面板模型试验中出现裂纹的原因,根据试验模型创建了三维扩展有限元(XFEM)模型进行整节段数值计算,利用不连续伽辽金扩展有限元(DG-XFEM)对裂纹扩展进行了模拟。结果表明:弧形开孔与U肋连接附近为高应力区,该高应力与几何不连续、焊接缺陷引起的应力集中及残余应力等不利因素叠加,使得弧形开孔与U肋连接附近成为疲劳最敏感的部位,即疲劳裂纹产生地;裂纹扩展的初始阶段与主应力等值线垂直,沿最大主应力方向扩展;裂纹出现的位置、扩展路径和长度与试验结果符合很好,与实际桥梁裂纹出现的位置和形态基本一致,也与裂纹扩展的基本理论一致。     

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.     

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。      

车辆荷载作用下钢-混组合桥面系的疲劳损伤

针对钢-混组合桥面系在车辆荷载作用下的疲劳失效特点,以某大跨度钢-混组合桥面系悬索桥为工程背景,建立了钢-混组合桥面系的有限元模型。基于等效疲劳损伤原理,对某长江公路大桥24h实测交通荷载数据进行计算,得到了7类典型车辆荷载模型及其频值谱。将得到的7类典型车辆荷载分别加载到有限元模型中进行计算,提取关注点的应力时程曲线。用MATLAB编制了雨流计数法程序,对应力时程数据进行处理,得到了该关注点的应力幅及循环次数。参照英国BS5400规范,对该点进行了疲劳损伤计算。研究结果表明:该疲劳点在实测车辆荷载谱作用下的应力-时程曲线呈双峰和多峰的分布形式;其最大应力幅较BS5400规范规定的常幅疲劳极限偏大;关注点的疲劳寿命比设计的低,车辆动荷载对该关注点疲劳性能的影响明显,在钢-混组合桥面系抗疲劳设计中应予以考虑。     

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。     

循环荷载下重塑黄土变形特性

为研究主应力方向和大小耦合变化对土体应力-应变状态及非共轴性的影响, 采用空心圆柱扭剪仪对饱和重塑黄土开展一系列循环扭剪试验, 分析了应力-应变状态和非共轴角的变化规律及影响因素。试验结果表明: 轴向应变始终处于压缩状态, 环向应变先负向累积再正向累积, 径向应变基本处于受拉状态, 剪切应变的受拉与受压状态交替出现, 轴向、环向和剪切应变曲线的波动特性明显, 而径向应变曲线的波动特性弱, 说明循环荷载作用下各应变分量表现出不同的发展规律; 轴向和径向应变及环向和剪切应变变化幅值随中主应力系数的增大先增大后减小, 说明中主应力系数影响各应变分量的累积; 随着主应力方向角旋转范围的增大, 轴向和径向应变逐渐减小, 环向应变由负向往正向变化的趋势提前, 剪切应变变化幅值逐渐减小, 说明主应力方向角旋转范围影响各应变分量的发展趋势; 剪切和正偏应力-应变曲线滞回现象明显, 且刚度发生循环强化, 但剪切刚度的循环强化比正偏刚度更明显, 说明土体出现次生各向异性, 这是引起非共轴现象的内在因素; 非共轴角变化曲线随中主应力系数的增大先下移后上移, 随循环次数的增大而逐渐上移, 随偏应力幅值的增大其变化范围增大。可见, 循环荷载下中主应力系数、循环次数和偏应力幅值可显著影响饱和重塑黄土的应力-应变状态及非共轴性, 在黄土工程设计和本构关系研究中应加以考虑。      

顶推连续钢箱梁的优化设计

衡阳某快速路高架桥,根据施工场地及通行条件的限制,通过方案比选确定了顶推连续钢箱梁的设计和施工方案。基于钢箱梁构造和受力特点,总结和分析了钢箱梁裂缝的类型和成因,提出了一些优化改进措施:提高桥面板竖向刚度,改进U肋与桥面板的焊接工艺以及在横隔板位置处U肋设置小内隔板等。将这些措施应用于该桥的设计中,结果表明箱梁各组件之间刚度比搭配较好,正常使用阶段各组件工作性能良好,变形协调性很好,焊缝处受力在可控范围内,桥面板的抗疲劳能力高,U肋和横隔板的局部应力状态明显改善,应力水平降低。最后对桥梁顶推施工的全过程进行了受力分析。提出的钢箱梁裂缝控制措施可为今后同类桥梁设计与施工提供参考。     

基于光纤光栅传感技术的江阴大桥结构应变监测研究

江阴大桥自1999年通车以来,就一直经历着大交通和重载交通的双重考验.主桥钢箱梁受交通荷载的影响最为直接,极易因荷载的不断作用而产生疲劳损伤.对荷载影响反应最直接的就是主桥钢箱梁结构的内部应变,通过对结构应变的监测,可以较好地掌握桥梁受动态荷载作用下的结构响应.本文采用光纤光栅传感技术对钢箱梁结构的重点部位进行应变监测...     

铁道货车车轮CL60钢在450℃时的低循环疲劳行为

铁道货车车轮产生损伤失效的主要原因是承受了复杂的热载荷和机械载荷的联合作用,而高温低循环疲劳是车轮踏面区域产生损伤的重要机理之一.针对铁道货车车轮CL60钢进行了450℃时的高温低循环疲劳实验.研究发现：在整个循环过程中,应力-应变关系曲线的变化趋势基本一致;随着循环周次的进行,拉压应力峰值呈现出连续的降低态势,压应力峰值减幅略大于拉应力峰值减幅,表现了低循环疲劳的典型特性;试样断口上出现了较为严重的氧化现象,断口裂纹扩展以穿晶为主.     

开口肋正交异性钢桥面疲劳设计参数研究

为评估重庆两江大桥单索面斜拉桥正交异性钢桥面板疲劳设计参数的合理性,对由盖板、板肋和横隔板组成的箱形正交异性钢桥面板模型进行了疲劳试验和有限元分析.基于应力等效方法,对桥面板、横隔板与纵肋三向交叉部位,进行了竖向和横向双向加载试验、等效实桥疲劳应力幅值2 000万次作用疲劳试验,在此基础上,分析了3种开孔方式、构造细节、横隔板厚度及铺装层厚度等因素对疲劳性能的影响.研究结果表明:横隔板厚度和铺装层厚度对疲劳性能的影响很大;与钥匙形和圆形相比,苹果形开孔结构的主拉应力最小,为13.7 MPa,疲劳性能最优.建议开口肋正交异性板构造横隔板厚度大于16 mm,并采用苹果形开孔方式.     

G104国道绍兴段公路桥梁疲劳车辆荷载模型研究

基于WIM系统采集得到G104国道绍兴段一个月的交通荷载数据,首先划分交通荷载的车型类别,并对轴载质量、轴距等参数进行统计分析。然后,根据疲劳等效损伤原理,建立疲劳等效车辆模型。在此基础上,推导得出适用于该路段的疲劳荷载谱,并选用20m钢筋混凝土简支T梁构建疲劳验算模型,基于应力-寿命曲线和Miner线性累积损伤理论计算分析各疲劳车型产生的疲劳损伤度值。最后,根据各疲劳车型的疲劳损伤度比大小,选取典型疲劳代表车型,建立适用于G104国道绍兴段的公路桥梁疲劳车辆荷载模型。通过计算分析可知:G104国道绍兴段的N7疲劳车型产生的疲劳损伤值最大,钢筋应力幅值及实际加载循环次数是决定疲劳损伤值大小的主要参数。钢筋应力幅值主要由疲劳荷载的车型与载重质量大小控制,而实际加载循环次数则与通行荷载的交通流量大小密切相关。     

双幅桁架组合梁空间受力研究

双幅桁架组合梁是通过横向联结系将A,B两个单幅桁架组合梁连接到一起组成新结构,为了了解该组合梁的受力性能、变形能力、破坏机理以及各个杆件的内力分布规律等,设计并制作试件,通过对试验梁A幅静力加载试验,分析其位移、沿截面高度纵向应变、混凝土板顶纵向应变、斜腹杆轴向应变以及横向联结系轴向应变随荷载的发展变化。通过ABAQUS有限元分析软件建立相同试件模型并且后处理,比较试验研究成果,验证模型的合理性。研究表明,施加单幅对称荷载时该组合梁具有良好的承载能力和变形能力;破坏形态为A幅弯曲破坏的同时伴随着受拉腹杆节点的冲剪破坏,B幅仅斜腹杆受轴力且影响较小;剪力滞系数在梁肋处达到峰值,说明梁肋处应力分布最不均匀,系数纵向影响范围只位于加载点附近,变形集中于中间区域;下弦杆除了承受轴向力,弯曲效应对杆件的受力影响较大,不容忽视。