正交异性钢桥面板节段模型疲劳性能试验研究

设计3个正交异性钢桥面板的节段模型,进行系统的静载试验和疲劳试验,研究不同构造对正交异性钢桥面板受力和疲劳性能的影响.结果表明:面板的厚度对U肋与面板连接焊缝构造的应力影响显著,建议正交异性钢桥面板的面板厚度取为14mm以上;横隔板的间距对横隔板与U肋焊缝交叉处的面外应力、横隔板的面外变形、中间U肋的竖向变形有直接的影响;弧形开孔处的应力随横隔板的厚度增加而降低;正交异性钢桥面板上由次应力引起的裂纹的扩展比较缓慢,不会直接影响整个桥面结构的承载能力;横隔板与U肋相交处上部留有过焊孔这一构造细节对正交异性钢桥面板的疲劳性能不利.     

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25 mm较为合适。     

铁路正交异性钢桥面板典型疲劳裂纹寿命估算

针对铁路正交异性钢桥面板中典型疲劳裂纹形式,建立计算模型。采用有限元数值方法模拟钢桥面板应力分布,确定各典型疲劳裂纹最不利位置;利用有限元子模型技术模拟各疲劳裂纹位置焊接细节,分析焊缝引起应力集中程度及对疲劳裂纹产生所造成影响;依据断裂力学揭示疲劳裂纹扩展速率与裂纹周围应力场关系,对几种典型疲劳裂纹进行疲劳寿命估算。结果表明:在桥面板与纵肋连接处,桥面板疲劳裂纹寿命较短,而纵肋疲劳裂纹寿命较长,这与国内外现场实测及试验结果相吻合;在横梁与纵肋连接处,其主应力较大且应力集中效应明显,极易产生疲劳裂纹。     

正交异性钢桥面板构造细节改进的探讨

鉴于正交异性钢桥面板在铁路桥梁上应用的增多及其疲劳裂纹的多发性,分析了正交异性钢桥面板疲劳裂纹的成因,系统地汇总了正交异性钢桥面板纵肋截面、纵肋与面板连接、横肋与面板连接、纵肋与横肋交叉部位、钢桥面板现场连接形式、U型肋形式等构造细节的演变历程及各国规范相关最新研究成果和规定.     

铁路钢箱梁正交异性桥面加劲肋疲劳性能研究

甬江特大桥是国内首座铁路大跨度钢箱混合梁斜拉桥。目前国内外大部分疲劳模型试验研究都仅针对单一纵肋形式下正交异性钢桥面板的疲劳特性,不同纵肋形式下的对比研究较少。因此,结合弗拉索夫薄壁杆件理论,提出了加劲肋疲劳敏感部位面内疲劳应力的解析公式,分析了解析公式各疲劳影响因素的影响程度及作用机理,并同有限元模拟及2U+2V模型测试结果进行对比分析。研究表明:解析公式结果同有限元模拟以及试验测试结果一致,其中V型加劲肋疲劳敏感部位疲劳应力小于U型加劲肋,模型试验中U型加劲肋疲劳敏感部位出现裂纹,因此,在铁路列车荷载作用下,V型加劲肋疲劳敏感部位比U型加劲肋具有更好的抗疲劳性能。     

正交异性板U肋与桥面板焊缝连接的静力及疲劳试验研究

为了研究正交异性钢桥面板中闭口纵肋与桥面板连接处纵向焊缝的疲劳性能,分别以焊缝形式、对接间隙、焊接方式和加栽方式为变化参数,设计了14个U肋试件,进行了静力和疲劳加载试验,得到了各个试件在不同应力幅值下的疲劳循环次数,并通过统计回归分析,分别得到了U肋和桥面板处角焊缝连接和熔透焊缝连接的疲劳S-N曲线及其疲劳分级.试验...     

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。     

正交异性钢桥面板纵肋?面板疲劳开裂的CFRP加固研究

为了研究碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)加固正交异性钢桥面板纵肋?面板(Rib-to-Deck,RD)构造细节疲劳开裂的可行性,借助ABAQUS建立正交异性钢桥面板多尺度有限元模型,采用扩展有限元法(Extended Finite Element Method,XFEM)模拟RD构造细节焊趾处表面裂纹,与其他文献的对比验证模拟方法的可靠性;选取RD构造细节横桥向最不利的轮载位置加载,计算并对比CFRP加固RD构造细节前后应力强度因子幅值的变化.研究结果表明:XFEM取15道围道积分数并去除前2道围道积分计算平均值,得到的I型应力强度因子解较准确;CFRP加固能有效降低裂纹尖端应力强度因子幅值,从而降低其疲劳裂纹扩展速率,提高构造细节的疲劳寿命;CFRP作用体现在降低了焊趾处的应力集中和增强了裂开区的连接效应;其加固效果随CFRP层数、纵向长度、宽度的增加而提高,当CFRP纵向长度、宽度大于某一值时,其对加固效果的影响很小.     

正交异性钢桥面板纵肋?面板疲劳开裂的CFRP加固研究

为了研究碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)加固正交异性钢桥面板纵肋?面板(Rib-to-Deck,RD)构造细节疲劳开裂的可行性,借助ABAQUS建立正交异性钢桥面板多尺度有限元模型,采用扩展有限元法(Extended Finite Element Method,XFEM)模拟RD构造细节焊趾处表面裂纹,与其他文献的对比验证模拟方法的可靠性;选取RD构造细节横桥向最不利的轮载位置加载,计算并对比CFRP加固RD构造细节前后应力强度因子幅值的变化.研究结果表明:XFEM取15道围道积分数并去除前2道围道积分计算平均值,得到的I型应力强度因子解较准确;CFRP加固能有效降低裂纹尖端应力强度因子幅值,从而降低其疲劳裂纹扩展速率,提高构造细节的疲劳寿命;CFRP作用体现在降低了焊趾处的应力集中和增强了裂开区的连接效应;其加固效果随CFRP层数、纵向长度、宽度的增加而提高,当CFRP纵向长度、宽度大于某一值时,其对加固效果的影响很小.     

高铁钢桁拱的桥面疲劳细节与受力特性研究

研究目的:为研究高速铁路大跨连续钢桁梁柔性拱桥正交异性钢桥面板疲劳细节的局部受力,本文以银西高铁银川机场黄河特大桥为背景,建立横梁弧形切口以及U肋与顶板连接焊缝两处疲劳细节的精细化有限元模型,分析列车移动荷载作用下疲劳细节处的应力分布,并对比分析不同弧形切口形状和横梁腹板厚度对疲劳细节局部应力的影响规律。研究结论:(1)正交异性钢桥面的U肋-横梁位置的弧形切口处在移动活载下容易出现应力集中,且弧形切口起始处与弧形切口自由边所对应的最不利活载位置不同,在轨枕横向两侧端部下方的横梁弧形切口起始处以及弧形切口自由边容易出现最大主应力;(2)横梁板厚对弧形切口自由边的主压应力影响最大,且随板厚增大该处主压应力减小,对本工程当板厚由16 mm增加至20 mm时,主压应力减小幅度超过20%;(3)不同弧形切口形状对疲劳细节的局部应力也有较大影响,与原设计切口形状相比,日本设计规范所推荐切口形状的主应力极值最小;(4)为提高正交异性钢桥面板的疲劳特性,对U肋-横梁疲劳细节进行局部构造优化是必要的,研究成果对同类型结构的优化设计具有理论指导意义。     

正交异性桥面板的数值分析及优化

一公铁两用桥,铁路桥面系为与弦杆焊接的箱型结构体系,其顶板与底板均为正交异性桥面板,本文结合铁路荷载的特点对这一复杂的桥面体系的受力机理进行研究。对公路桥面则更注重于构造细节分析,采用实体有限元,考虑面板与U肋焊接熔透深度以及U肋与横梁焊接端部形状,对公路桥面系进行精细有限元分析,掌握复杂公路荷载工况下焊接处的应力分布。     

考虑纵肋-横隔板焊缝模拟的正交异性钢桥面板疲劳性能研究

为研究纵肋-横隔板(rib-to-floorbeam,RF)焊缝模拟与否及焊缝模拟数量对正交异性钢桥面板各疲劳敏感细节应力响应的影响,分别建立无RF焊缝及不同数量RF焊缝的正交异性钢桥面板有限元模型,计算轮载作用下各构造细节的应力响应.为提高计算速度与精度,RF焊缝采用体单元模拟,桥面板其他构件采用壳单元模拟,通过约束方程实现体-壳耦合.研究结果表明:模拟RF焊缝时,RF横隔板侧和纵肋侧构造细节的应力幅分别增大66％和54％,其对应的计算疲劳寿命更接近实桥出现裂纹的时间;模拟RF焊缝对弧形切口和RD构造细节应力响应几乎无影响.模拟不同数量RF焊缝对各构造细节应力响应无明显差别;相比于不模拟焊缝的情况,模拟焊缝可以清楚地显示RF焊缝沿高度方向上的应力分布,纵肋和横隔板的连接部位应力过渡更加平滑.     

大跨度铁路钢箱梁斜拉桥正交异性桥面疲劳试验研究

正交异性桥面钢箱梁具有良好的整体性能与抗风性能,在大跨度公路斜拉桥及悬索桥中应用广泛,但在大跨度铁路斜拉桥上应用极少。以国内首座大跨度铁路钢箱梁斜拉桥为背景,建立全桥杆系及局部箱梁有限元模型系统分析铁路正交异性桥面疲劳受力特性,基于应力等效原则优化设计出2U肋+2V肋的足尺疲劳试验模型,并实施560万次的疲劳加载试验。结果表明:钢箱梁正交异性桥面在列车荷载下以第二三体系受力为主,承受高周低幅疲劳作用;模型实测应力值同理论值相符良好,大部分测点在560万次疲劳试验中保持弹性受力状态,结构总体疲劳性能良好;U肋与横隔板连接处附近母材在150万次疲劳后发生开裂;V肋总体应力低于U肋,其疲劳性能优于U肋。     

钢桥面板U形肋与面板连接部分熔透焊缝受力分析

U形肋与面板之间连接焊缝的疲劳裂纹是正交异性钢桥面板最典型的疲劳裂纹之一。该焊缝由以前的贴角焊缝过渡到现在的部分熔透焊缝,并要求至少75%的熔透率。受坡口加工和组装精度、焊接工艺等因素的限制,实际上该焊缝的熔透率变化较大。本文采用大型通用有限元程序Abaqus建立精细化的三维实体单元有限元计算模型,研究了65%,75%,85%3种不同熔透率对U形肋与面板连接部位受力状态的影响,结果表明提高熔透率能够减小面板上的拉压应力和剪应力,以及焊缝喉部和根部的应力。研究成果为规定此种焊缝的制造误差提供了依据。     

正交异性钢桥面板构造参数的优化

针对正交异性钢桥面板的疲劳问题,从构造参数优化设计方面研究了提高其疲劳性能的途径。在满足JTG D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》对受力、变形及构造要求的前提下,采用ABAQUS建立有限元模型并进行试算,对正交异性钢桥面板的构造参数开展优化设计研究,给出了一组面板厚度为16～32 mm(增量为2 mm)时,U形肋尺寸和间距、横隔板高度和间距等参数合理匹配的建议值。     

钢箱梁面板-纵隔板构造细节轮载应力响应特征分析

为研究车辆通行下正交异性钢箱梁面板-纵隔板构造细节轮载应力特征,建立带纵隔板的正交异性钢桥面板有限元分析模型,计算并对比轮载沿不同横桥向位置在纵桥向移动工况,面板-纵隔板构造细节及横桥向两侧疲劳敏感构造细节的应力响应。研究结果表明:纵肋-面板和纵隔板-面板构造细节均可分辨轴组中的单轴,因此,在疲劳荷载模型三规定的车辆通行下,每个构造细节将产生4个应力循环;应力峰值均发生在顺桥向两联轴的其中一个轮轴作用应力监测位置的正上方;当横桥向轮载中心位于纵隔板正上方时,纵肋-面板构造细节将在面板侧产生比其他横桥向轮载工况下更大的应力响应和应力幅;当桥面轮载从纵隔板一侧移动到另外一侧,或货车变道,或货车蛇行,均将导致纵隔板-面板构造细节的纵隔板侧产生较大的拉压应力幅。在设计带纵隔板的正交异性钢桥面板时,纵隔板不应布置在车道轮迹线正下方或紧靠车道轮迹线,而应远离车道轮迹线布置。且桥梁管理单位宜在桥面设置明显的标识,禁止桥面货车变道。     

横梁腹板切口形状对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响研究

在正交异性钢桥面板中,横梁腹板与纵肋连接部位及横梁腹板切口边缘处较容易发生疲劳开裂,为了弄清横梁腹板切口形状对这两个构造细节疲劳性能的影响规律,采用有限单元法,通过在3种作用下采用不同切口形状的正交异性板各考察点主拉应力或面外应力比率的对比研究,得出以下结论:(1)在剪切作用下,切口形状对纵肋与横梁连接部位的应力影响不大,切口边缘半径对横梁切口边缘拉应力影响很大;(2)在支撑作用下,切口尺寸越大,纵肋与横梁连接部位的应力越大;(3)在面外作用下,切口尺寸越大,横梁对纵肋的面外转动变形约束越小,面外应力比率越小。     

正交异性板桥面体系计算支承长度匹配问题研究

针对虎门大桥正交异性钢桥面板,探讨不同边界条件和加载方式下,有限元法和P E法的差异。采用全梁段板壳单元模型,进行8种工况的分析计算。结果表明:支承长度的变化,将导致桥面体系和顶板体系的计算结果有明显差异,并且支承长度和荷载的变化对跨中正应力的影响小于支点位置,因此全梁段模型的计算支承长度需与全桥体系计算中采用的梁单元长度匹配。将跨中和横梁位置桥面板和U形加劲肋的正应力计算结果与P E法进行比较后,发现前一方法更能体现这种结构的整体受力和变形性能,更全面反映不同部位在不同荷载和不同边界条件下的性能差异。通过与实测值的比较,说明本文建立的全梁段板壳单元模型可以反映正交异性桥面板的桥面体系和顶板体系的综合受力性能。     

纵梁(肋)高度对正交异性板钢桥面系受力影响分析

正交异性板各个构件的选用关系着钢桥面系的安全性及经济性,通过有限元分析软件,建立桥面系板单元模型,对正交异性板多横梁体系纵梁、纵肋高度变化时桥面系各部分受力分析,总结纵梁(肋)高度变化对桥面板、横梁以及横梁与纵梁(肋)相交处挖孔部位受力的影响趋势,得出结论:增加纵梁高度,纵梁自身正应力逐渐增大,U肋正应力逐渐减小;横梁U肋挖孔处主拉应力增大,横肋相应处主拉应力减小,但减小或增大的幅度较小。改变T形纵梁高度,对横梁整体受力及桥面板影响甚小,可忽略不计,T形纵梁的合理取值范围为横梁高度的0.35~0.4倍;U肋高度过大或者过小,桥面板应力的均匀性均不好,且主拉应力均较大。增大U肋高度,纵梁正应力逐渐减小,U肋自身应力并未成线性变化趋势,而是呈"锯齿"形变化趋势。改变U肋高度对桥面板应力影响均较小,可忽略不计,U肋的合理高度取值范围为240~280 mm。     

切口型式对 正交异性钢桥面板应力特性的影响

正交异性钢桥面板横隔板切口处疲劳问题突出,裂纹通常萌生于切口自由边以及切口起始处纵肋-横隔板连接焊缝。为研究不同切口型式对疲劳细节应力的影响,建立有限元分析模型,获得细节在轮载下的应力响应。研究结果表明:切口自由边细节是面内应力主导,且较大的切口半径有利于降低应力水平;纵肋腹板在平行于焊缝方向的外侧应力最大,属于纵肋-横隔板连接焊缝中最不利的细节,因此该连接处的裂纹通常会萌生于焊缝末端的纵肋腹板外侧,并沿垂直于焊缝的方向扩展;对于纵肋-横隔板连接焊缝的横隔板细节,当切口型式为相切过渡的方式时,面外应力远小于垂直过渡的方式,而面内应力相反;采用Eurocode 3中推荐的切口型式是合适的。