基于随机车辆模拟的钢桥面板焊接细节疲劳可靠度研究

为给钢桥面板焊接细节的设计及运营管理提供参考,针对随机车辆作用下的钢桥面板焊接细节,考虑交通量增长、车辆轴重的相关性和路表温度长期效应等因素的影响,进行了钢桥面板焊接细节的疲劳可靠度研究。基于某钢箱梁悬索桥WIM实测数据,分析了随机车辆各参数的分布特征,尤其是车辆轴重的相关性,采用能考虑轴重相关性的非参数核密度估计-Copula轴重抽样方法,编制了多参数随机车辆模拟程序;采用有限元法分析了路表温度、车辆轴重的相关性对疲劳荷载效应的影响;最后建立了基于疲劳损伤理论的功能函数,采用MC法进行疲劳可靠度计算,分析了交通量增长、轴重的相关性和路表温度长期效应对钢桥面板焊接细节疲劳可靠度的影响。研究结果表明:轴重具有多峰分布的特点,且轴重之间具有较强的相关性,模拟随机车辆时,如不考虑轴重的相关性,将会造成较大误差;路表温度变化主要影响钢桥面板焊接细节的应力幅,对循环次数和考虑车轮横向位置的应力幅折减系数影响不大,考虑路表温度长期效应的日等效应力幅,概率密度函数更具有多峰性质;考虑轴重相关性的日等效应力幅均值比不考虑轴重相关性的大;交通量增长对结构初期的疲劳可靠度指标影响不大,将造成结构后期的疲劳可靠度指标快速降低;考虑轴重相关性和路表温度长期效应均会降低钢桥面板焊接细节疲劳可靠度指标,而轴重相关性对疲劳可靠度指标的影响比路表温度长期效应更明显。     

超载对正交异性钢桥面板疲劳寿命影响研究

我国公路运输超载现象普遍,超载程度严重。当前设计规范尚未对公路桥梁疲劳荷载谱做出规定,在对正交异性钢桥面板进行疲劳验算时,很难求得真实的等效应力幅值。基于国内道路观测统计得出的货车轴重,针对国内实桥应用较多的正交异性钢桥面板构造,分析了超载条件下主要构造细节应力循环特征,依据Miner线性累积损伤理论,计算了轴重与相应出现概率对正交异性钢桥面板主要构造细节等效应力幅值的影响,得出了货车超载对钢桥面板疲劳寿命的折减程度。     

正交异性钢桥面板疲劳验算规范对比

在车辆荷载作用下,正交异性钢桥面板的疲劳开裂对结构的疲劳性能以及使用安全性能具有较大的影响,钢桥面板中复杂的焊接连接细节成为裂纹出现的集中区域。依据在正交异性钢桥面板方面研究相对成熟的AASHTO、Eurocode和日本规范,结合我国公路钢结构桥梁设计规范(送审稿);通过数值分析得到疲劳敏感细节在各国标准疲劳车辆荷载下的应力响应,并按照规范对细节的疲劳强度进行验算。验算结果表明,疲劳细节的应力幅对轴重比较敏感;顶板与U肋细节的纵向影响线比横隔板与U肋焊接处的影响线短;顶板与U肋处细节和横隔板挖孔处细节更容易发生疲劳裂纹。     

基于轮式滚动加载的正交异性钢桥面板疲劳试验设计

能模拟车辆荷载通过效应的疲劳模型试验是研究正交异性钢桥面板疲劳性能的有效手段。利用国内首台自主研发的桥面结构专用轮式滚动疲劳加载装置,以广东虎门二桥坭洲水道桥为依托工程,研究了基于轮式滚动加载的正交异性钢桥面板疲劳试验设计问题。首先,根据实桥交通需求分析,合理确定实桥疲劳荷载谱;其次,计算疲劳敏感部位热点在疲劳荷载谱各车型作用下的应力历程,采用雨流计数法计算应力谱,根据Miner疲劳损伤累积理论转化为每种车型通过1次的等效应力幅,结合交通量预测计算实桥各构造细节在设计寿命期内的疲劳累积损伤;最后,根据设备性能参数,分别计算橡胶轮双轴加载和钢轮单轴加载下试验模型各细节的等效应力幅,通过与实桥钢桥面板各细节的疲劳累计损伤等效,从而确定试验加载轴类型、加载水平以及对应各细节的等效作用次数。研究成果对改进正交异性钢桥面板疲劳试验设计有重要参考意义。     

基于WIM的钢桥面板疲劳荷载模型研究

为确定不同等级公路钢桥面板的疲劳荷载模型,以某钢箱梁斜拉桥为例,建立钢箱梁节段有限元模型,分析钢桥面板典型疲劳细节的应力影响线特征,选取不同等级的5条公路,通过动态称重(WIM)数据获取交通荷载分布,将实测疲劳荷载谱在典型疲劳敏感细节上进行影响线加载,计算实际车流下各细节的疲劳损伤并确定主导致伤车型,基于等效损伤原理确定钢桥面板疲劳荷载模型,并验证疲劳荷载模型的适应性。结果表明:不同等级公路钢桥面板的疲劳荷载模型不同,高速公路为六轴卡车,一级、二级公路为四轴卡车,三级、四级公路为二轴卡车;提出的疲劳荷载模型能够较好地代表不同等级公路的实际交通荷载水平。     

随机车流下钢-UHPC组合正交异性桥面疲劳性能研究

为获得钢-UHPC组合铺装正交异性桥面板构造细节轮载作用下的响应特征,准确评价随机车流下其疲劳敏感构造细节的疲劳性能,以佛陈扩建西幅桥为例,开展了钢-UHPC组合铺装正交异性钢桥面板全部构造细节的应力监测试验。利用7d连续记录的应力时程和雨流计数法获得了构造细节的应力谱;基于Miner疲劳损伤等效原则计算得到了最大应力幅、等效应力幅及疲劳加载次数。结果表明:当构造细节位于轮载正下方时,通行货车每个车轴将在面板上的构造细节中产生1个应力循环,但其他构造细节只能由每个轴组产生1个应力循环;钢-UHPC组合铺装虽并未改变正交异性钢桥面板构造细节轮载作用下明显的局部效应特征,但增大了正交异性钢桥面板的刚度,使得横隔板弧形切口的面外应力减小;其显著降低了面板上构造细节的应力幅,使得纵肋-面板焊缝构造细节和面板对接焊缝构造细节所记录到的最大应力幅均小于常幅疲劳极限;基于AASHTO规范开展的疲劳评价表明,在当前交通流下,佛陈扩建西幅桥钢-UHPC组合铺装正交异性钢桥面板全部构造细节具有足够的疲劳强度。     

U肋与横隔板焊接构造细节疲劳强度研究

为研究在车辆荷载反复作用下,正交异性钢桥面板U肋与横隔板焊缝构造细节处的疲劳强度是否满足疲劳设计要求,以九江长江公路大桥钢箱梁结构为研究对象,设计疲劳试样进行疲劳试验,得到了用于该构造细节处疲劳寿命评估的失效概率分别为50%及2.3%的应力幅~循环次数曲线,参照Eurocode 3规范,将疲劳曲线延长至长寿命区,提出适合该细节处的疲劳设计曲线及方程。依据实测车辆荷载谱及简化的有限元模型,选择合理的加载方式与荷载冲击系数,计算得到关注点的应力~时间历程曲线,并评估该构造细节的疲劳寿命。结果表明,在实测荷载谱作用下,该细节处最大应力幅值为24.49MPa,小于疲劳截止限,其疲劳强度满足疲劳设计要求。     

云南省公路桥梁疲劳荷载车辆模型研究

公路桥梁活载是桥梁疲劳失效的主要影响因素,而公路桥梁承受活载情况极其复杂,要制定普遍意义上的疲劳荷载谱,必须选取典型路段进行交通量调查,经过统计分析得到实测的车辆荷载频值谱。根据等效疲劳损伤原理,将实测的车辆荷载频值谱简化为由疲劳荷车辆组成的荷载频值谱,根据车辆组成的荷载频值谱建立了云南省公路桥梁疲劳荷载车辆模型。研究结果表明造成云南省内公路桥梁疲劳累积损伤的主要车辆为两轴的大型客车及货车,研究结果可供云南省公路桥梁疲劳损伤验算或疲劳设计时参考。     

基于随机车辆荷载的大跨悬索桥钢桥面板疲劳损伤评估方法

钢箱梁是大跨径桥梁常用的结构形式，其桥面板一般采用正交异性钢桥面板，在大量交通荷载反复作用下，正交异性钢桥面板易出现疲劳病害。现依托西堠门大桥的状态评估项目，基于桥梁结构健康监测系统中的动态称重系统监测数据，对实际运营车辆荷载进行概率拟合，然后基于随机车辆荷载法对正交异性钢桥面板关键疲劳细节进行疲劳损伤计算，为钢箱梁的养护管理决策提供相应的理论依据。研究表明：西堠门大桥正交异性钢桥面板的疲劳损伤和裂纹处于可控范围内。基于随机车辆荷载模型的钢桥面板疲劳状态评估方法，为西堠门大桥的钢桥面板疲劳养护提供指导，并为境内同类正交异性钢桥面板桥梁的疲劳评估提供借鉴。     

基于应变监测数据的钢桥面板疲劳寿命评估研究

联合结构长期应变监测数据和线弹性断裂力学提出正交异性钢桥面板的疲劳寿命评估方法,以坝陵河大桥钢桥面板的焊接细节为对象开展应用研究.采用Paris方程建立了疲劳极限状态方程,并基于应变监测数据建立桥梁应力幅谱△σi～ni,计算等效应力幅△σe,对正交异性钢桥面板疲劳寿命进行评估,为钢桥面板的维护提供依据.     

钢桥面板-肋双面焊构造细节疲劳失效模式研究

设置高疲劳抗力构造细节是提升钢桥面板疲劳寿命的有效途径之一,以一种钢桥面板-肋双面焊构造细节为研究对象,基于线弹性断裂力学原理,利用ABAQUS有限元软件建立了该细节疲劳裂纹扩展子模型,研究了疲劳加载工况下各裂纹萌生点处初始裂纹扩展能力.同时通过应力强度因子幅值对比分析,进一步确定了该钢桥面板-肋双面焊构造细节主导疲劳失效模式.     

车辆轮迹线位置对钢桥面板疲劳部位应力的影响分析

正交异性钢桥面板是大跨度桥梁结构主要桥面板形式.为深入研究车辆轮迹线位置对钢桥面板疲劳部位应力的影响,以纵肋与顶板双面焊焊接接头为研究对象,基于ANSYS有限元软件,选取三种典型疲劳车辆轮迹线加载形式,得到了该部位热点应力历程.车辆骑纵肋加载和纵肋间加载均具有较大的疲劳应力,设计时应将轮迹线尽量布置在纵肋正上方位置.     

军山长江大桥钢-UHPC组合桥面改造效果研究

武汉军山长江大桥原桥面铺装为双层SMA,随着车流量的增加和超重车辆的影响,运营多年后该桥正交异性钢桥面板出现疲劳裂缝。为处治桥面板隐性裂缝,分别对上游侧进行了钢桥面冷拌环氧树脂桥面铺装及桥面板焊接施工,对下游侧进行钢-UHPC组合桥面铺装改造。为评估钢-UHPC组合桥面的改造效果,基于已建立的运营期安全监测系统及有针对性的增布动应变测点,对随机荷载作用下桥梁上、下游侧桥面板的局部应力进行测试。结果表明:在下游侧的车辆数量和轴重均高于上游侧的情况下,下游侧测点的等效应力幅大多小于对应的上游侧,表明钢-UHPC组合桥面铺装明显改善了该桥正交异性钢桥面板的疲劳应力。     

ERS铺装对钢桥面板疲劳应力影响的测试与分析

为研究树脂沥青组合体系(ERS)铺装对钢桥面板疲劳应力的影响,开展钢箱梁桥面板现场试验研究。采用总重200 k N的两轴卡车加载,铺装前后分别进行了390个静力工况测试,获取了铺装前后的钢桥面板典型细节应力响应面与响应线。基于现场测试数据建立钢桥面板有限元模型,研究了气温和铺装厚度变化对典型细节疲劳应力的影响。运营期间对钢桥面板进行长期动应变监测,分别选取不同季节连续24 h内实测应力谱进行应力幅分析与疲劳损伤评估。结果表明:ERS铺装使得钢桥面板疲劳应力水平降低7.1%~46.5%,对纵肋与顶板连接细节影响最大;气温和铺装厚度的变化对不同细节疲劳应力的影响差异显著;相同车流作用下冬季实测峰值应力幅约为夏季的50%,秋季峰值应力幅约为夏季的70%;夏季产生的疲劳损伤是秋季的2.5倍,是冬季的15倍以上,建议钢桥面板疲劳验算或评估时充分考虑桥面铺装温度和厚度的影响。     

沌口长江大桥钢桥面铺装荷载谱研究

为更有效预测正交异性钢桥面铺装层的疲劳寿命,需针对项目预测交通量尤其是重载情况进行分析研究,对正交异性钢桥面板的结构特性进行力学分析。通过调研分析临近过江通道实际监测的交通数据,得出桥面轴载谱。建立钢桥面铺装有限元模型进行计算分析,得出钢桥面铺装最不利荷位中心横向位于U形肋与桥面接缝处,纵向位于距离横隔板0.2 m处,得到了不同轴载作用下铺装层的关键力学指标形变量和应变量,结合轴载谱得出荷载谱,并推算出初步设计阶段铺装层的疲劳寿命仅为2年。     

基于断裂力学的正交异性钢桥面板疲劳等效应力幅分析

国内一些公路钢桥使用7~8年后,正交异性钢桥面板出现不同程度的疲劳问题。针对这些正交异性钢桥面板疲劳现象,国内外已进行了不少研究。但目前这些研究主要以疲劳试验为主,缺乏理论分析,还没有确定疲劳应力强度因子和顶板厚度与疲劳构造细节的关系等。将断裂力学理论和精细化数据模拟分析相结合,确定正交异性钢桥面板顶板与U肋焊接处的应力强度因子,明确不同顶板厚度、不同位置处的疲劳寿命和桥面板厚度与疲劳构造细节之间的关系等。     

钢-UHPC组合桥面移动车辆加载试验研究

随着公路交通运输的发展,车辆荷载不断提高,导致钢桥面板疲劳问题日益突出,尤其是对桥面系安全使用危害很大的顶板疲劳开裂问题。采用超高性能混凝土(UHPC)形成钢-UHPC组合桥面,因有望解决该类疲劳问题而成为近年来的研究热点。以武汉军山大桥改造工程为背景,利用工程现场的运输卡车,开展了钢-UHPC组合桥面移动车辆加载试验研究。试验结果表明:顶板与U肋连接处疲劳细节控制测点应力幅约为改造前的1/4~1/10,U肋与横隔板连接处疲劳细节DPS01.1控制测点应力幅约为改造前的1/10;疲劳细节C.6多轴疲劳效应显著,疲劳细节C.6.1控制测点应力幅约改造前的26%~29%;其余疲劳细节控制测点应力幅普遍约为改造前的1/2,U肋嵌补段疲劳细节UU01控制测点应力幅约为改造前的1/2。若大桥原钢桥面板抗疲劳设计寿命按5年计,则改造后有望解决其顶板疲劳开裂问题。     

中欧规范下钢桥面板与纵肋双面焊焊接细节疲劳性能分析

钢桥面板与纵肋双面焊焊接细节是新型构造细节之一,有助于改善钢桥面板疲劳性能。文中基于中欧规范中疲劳车形式,通过有限元数值模拟,采用热点应力法计算得到钢桥面板与纵肋双面焊焊接细节的热点应力历程,分析该细节的疲劳性能。     

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。     

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。