钢板梁桥腹板间隙面外变形影响因素分析研究

以直桥和斜桥两种桥型为例,对我国公路钢桥标准疲劳车荷载作用下的钢板梁桥进行了数值分析,研究了腹板间隙大小、腹板厚度、主梁高度、混凝土桥面板厚度和横撑刚度对钢板梁桥腹板间隙面外变形的影响。参数分析表明,相关参数变化时,两种钢板梁桥中腹板间隙处应力的变化规律基本一致。对比两种钢板梁桥的分析结果发现:斜钢板梁桥中腹板间隙处应力受腹板间隙大小的影响较大,直钢板梁桥中腹板间隙处应力受腹板厚度、主梁高度和混凝土桥面板厚度的影响较大;横撑刚度对两种钢板梁桥的腹板间隙处应力基本没有影响。     

应力比对钢桥腹板间隙面外变形疲劳性能的影响试验

为研究应力比对钢桥面外变形疲劳性能的影响,通过足尺疲劳试验对不同应力比循环荷载作用下钢桥腹板间隙典型细节的疲劳裂纹萌生和扩展机理进行研究。采用5个足尺试件开展了疲劳试验,研究了40mm和60mm腹板间隙在不同应力比循环荷载作用下的裂纹萌生和扩展行为,分析了腹板间隙处腹板与竖向加劲肋焊趾细节应力随着循环荷载变化的规律,得到了应力比对该构造细节面外变形疲劳性能的影响。研究结果表明:腹板间隙处腹板与竖向加劲肋焊趾处面外变形疲劳性能受应力比影响较大,疲劳裂纹从焊趾处萌生后远离竖向加劲肋在腹板内扩展;腹板间隙为40mm、应力比小于0.3时,腹板与竖向加劲肋焊趾处的细节疲劳强度为AASHTO规范中D类和Eurocode规范中的71类;应力比大于0.3且小于0.5时,该细节的疲劳强度降为AASHTO规范中E′类和Eurocode规范中的45类;腹板间隙为60mm、应力比小于0.3时,腹板与竖向加劲肋焊趾处的细节疲劳强度为AASHTO规范中C类和Eurocode规范中的100类;应力比大于0.3且小于0.5时,该细节的疲劳强度降为AASHTO规范中D类和Eurocode规范中的80类;腹板与竖向加劲肋焊趾处疲劳裂纹的扩展速率在高应力比的循环荷载作用下较低应力比循环荷载作用下更快;细节疲劳强度随应力比的增加而显著降低,随腹板间隙的增大有一定程度的提高。     

考虑车桥耦合振动的钢梁桥腹板间隙的疲劳分析

分析钢梁桥腹板间隙的疲劳问题时,其应力通常是基于疲劳荷载作用下的静应力叠加一个动力冲击系数来确定。已有研究表明:规范中的疲劳冲击系数低估了实际路面状况下的车辆动力冲击效应,往往导致腹板间隙的实际疲劳寿命低于设计寿命。基于此现状,研究了在假定的车辆和环境条件下路面的退化规律。建立了几座不同跨径的简支Ⅰ型钢梁桥和疲劳车的三维模型,通过车桥耦合振动分析,研究了实际桥面状况下车辆荷载动力效应对腹板间隙产生的应力幅冲击系数,并评估了腹板间隙的疲劳寿命。结果表明:基于腹板间隙应力幅计算的冲击系数大于传统基于应力的冲击系数;美国AASHTO桥梁规范中采用的疲劳冲击系数在路面条件较差时低估了车辆荷载动力效应。最后提出了腹板间隙疲劳评估应力幅冲击系数建议取值。     

连续焊接钢板梁桥腹板疲劳开裂分析

建于1972年的美国1-895桥是由7根焊接钢板梁组成的4跨钢桥,2003年3月发现两个主梁腹板开裂:一个在横联连接板处;另一个在横联附近加劲肋处.对开裂腹板进行断口分析、钢材性能试验、断裂力学和有限元分析.断裂力学分析结果表明:高应力状态下的表面裂纹或贯穿裂纹都可导致脆断.采用整体模型和局部模型对3种可能原因进行分析:1)由横向连接系产生的横向力导致腹板间隙变形;2)腹板面内荷载作用下,制造误差引起的腹板不平整;3)起裂点附近焊接引起的残余应力.结果表明以上原因或其组合可导致腹板开裂区域产生较高主拉应力,使裂纹萌生并扩展至脆断.最后还研究3种修复措施,在修复后的桥梁检测中,没有发现其他裂纹,成果可为钢桥疲劳加固设计参考.     

钢桥贯通疲劳裂纹扩展行为预测方法研究

为研究面外弯曲作用下的贯通疲劳裂纹扩展行为,以某公铁两用钢桥的工字形横梁腹板为对象,运用公路加载的方式,对横梁腹板竖向加劲肋焊端的应力进行荷载试验,利用有限元程序ABAQUS建立横梁腹板模型,将疲劳裂纹引入模型,利用位移外推法计算裂纹前端应力强度因子,结合最大能量释放率法对疲劳裂纹的扩展行为进行预测。结果表明:腹板的面外弯曲是该部位出现疲劳开裂的主要原因;贯穿疲劳裂纹是Ⅰ型为主的混合型疲劳断裂;等效应力强度因子随着裂纹的增长先增加后减小,裂纹的扩展角度随着裂纹的增长有所增加,预测角度与实际观测到的裂纹扩展角度近似一致。因此,利用位移外推法和最大能量释放率法可有效预测钢桥疲劳裂纹扩展行为。     

基于车辆荷载数据的波形钢腹板PC梁桥细节疲劳寿命预测

波形钢腹板作为一种新型桥梁结构形式,在钢腹板与顶板衔接位置及波形钢腹板折线位置容易产生应力集中而出现疲劳失效。基于实测车辆荷载数据,在有限元软件ANSYS平台采用瞬态分析将荷载数据转换成疲劳应力效应。在此基础上,基于S-N曲线法对波形钢腹板结构的典型焊接点的疲劳寿命进行了预测。研究表明:典型货车车重服从多峰分布,波形钢腹板PC梁桥在波形折角位置、钢混连接孔位置和钢材焊缝位置处容易出现疲劳裂纹。在年交通增长率为5%的荷载作用下,头道河大桥细节1和细节2的疲劳寿命分别为143 a和295 a。     

基于断裂力学的CFRP加固桥梁疲劳裂纹扩展研究

在线性渐进叠加假定的基础上,对碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢筋混凝土桥梁的疲劳裂纹扩展速率进行理论分析,在裂纹扩展模型表达式的基础上,通过分析三点弯曲梁应力强度因子与等效裂缝长度之间的关系,求得裂纹扩展速率,进而对CFRP加固桥梁的疲劳寿命进行预估算研究;同时进行了CFRP加固桥梁疲劳裂纹扩展试验研究,通过单、双层CFRP加固试验梁沿布长方向的应变累积分析,阐述了荷载作用下加固梁裂纹扩展速率和扩展行为。结果表明:加固梁在疲劳荷载作用下,CFRP充分发挥了其抗疲劳特性;从理论计算结果与试验值对比情况看,CFRP加固钢筋混凝土桥梁疲劳寿命估算理论计算方法误差较小,满足实际需求。     

基于健康监测数据的斜拉桥索梁锚固区焊缝疲劳萌生寿命预测

针对斜拉桥在通车运营不久就萌生疲劳裂纹的现象，以苏通长江大桥为工程背景，在建立焊接细节精细化有限元模型、分析焊接细节缺口应力集中系数和疲劳缺口系数的基础上，基于健康监测实测数据和局部应力应变法理论对索梁锚固区焊接细节处的疲劳裂纹萌生寿命进行预测。考虑到索梁锚固区焊接细节存在高值残余应力，分析了焊接残余应力对焊接细节疲劳裂纹萌生寿命的影响。研究结果表明，与下锚固板相连外腹板焊趾处的疲劳裂纹萌生寿命短于与上锚固板相连外腹板焊趾处的疲劳裂纹萌生寿命；焊接残余应力对疲劳裂纹萌生寿命的影响较大；考虑残余应力的疲劳裂纹萌生寿命较不计残余应力的疲劳裂纹萌生寿命下降60%左右。     

焊接钢桥腹板出平面变形疲劳问题的有限元分析

焊接钢桥的腹板在交通荷载作用下产生的出平面变形可以导致腹板空隙处的疲劳开裂,为了分析导致腹板空隙处疲劳开裂的位置、形式以及原因,对一座钢桥的一跨建立了三维有限元模型,并采用了子模型方法对腹板空隙处进行了细致的分析,得到腹板空隙处的应力水平和分布规律。通过分析得到焊接钢桥腹板出平面变形导致腹板空隙处的应力十分复杂,造成多个区域的应力集中。在AASHTO疲劳车的作用下,腹板空隙处的最大应力可以达到200MPa,这样就导致在交通荷栽的反复作用下疲劳裂纹的产生,同时对相应的维修加固策略进行了探讨。研究也显示出了有限元方法分析复杂区域的优越性。     

定侧压混凝土双轴拉-压疲劳累积损伤试验研究

在对有限预应力混凝土桥梁结构进行损伤分析与剩余寿命估算时,为了解混凝土在双轴波动拉-压应力作用下的疲劳强度和损伤特性,通过室内小尺寸的变截面棱柱体试件的双轴疲劳试验,得到了定侧压下混凝土等幅和变幅重复荷载作用下的轴心拉-压疲劳方程和疲劳变形特性。由等幅疲劳变形模量定义了损伤变量,拟合试验结果得到了相应的损伤演化方程;依据损伤演变与损伤状态、加载条件间的相关性,建立了相应的疲劳损伤模型。研究表明:极限疲劳割线模量衰减率可作为混凝土发生拉-压疲劳破坏的标志;用规范化的疲劳变形模量定义损伤变量,建立的损伤累积模型,用于疲劳损伤分析和剩余寿命预测时具有较高的精度。     

正交异性钢板-薄层RPC组合桥面基本性能研究

为了解决正交异性钢桥面铺装层破损及钢桥面结构疲劳开裂2类病害问题,提出了一种新型正交异性钢板-薄层超高性能活性粉末混凝土（RPC）组合桥面结构体系。基于某大桥建立有限元模型,并对比计算了纯钢梁和组合桥面结构中桥梁主缆索力和桥面系应力状态;同时,开展了足尺条带模型静载试验。研究结果表明：采用新型钢-RPC组合桥面结构后,钢面板及纵肋中应力明显降低且最大降幅超过70%,而主缆索力几乎不增加;RPC层开裂前的拉应力可达42.7MPa,远高于其在实桥荷载作用下10.08MPa的拉应力;该新型钢-RPC组合桥面结构可提高桥面系的刚度,降低钢桥面结构中的应力,从而能够基本消除钢桥面疲劳开裂的风险。     

某正交异性板钢箱梁斜拉桥UHPC组合桥面改造方案研究

某跨江大桥为主跨460m的斜拉桥,运营多年后正交异性板钢箱梁出现大量裂纹,提出采用超高性能混凝土(UHPC)组合桥面(由配钢筋网的UHPC层与钢桥面板通过短栓钉组合而成)进行改造。为选择合适的改造方案,采用有限元法建立原钢箱梁和UHPC组合桥面钢箱梁(UHPC层厚4.5,5.5,6.0cm)模型,分析各疲劳细节应力及UHPC层应力;开展UHPC层配置钢板条的组合结构模型试验,验证其疲劳性能。结果表明:UHPC组合桥面降低了钢箱梁各疲劳细节最大应力幅,降幅为11%~88%,顶板疲劳细节处裂纹尖端最大应力幅降幅达92%;疲劳荷载作用下,UHPC层顶面应力较低,钢桥面板开裂后UHPC层底面应力较大;采用钢板条对5.5cm厚UHPC层的组合结构加强后,UHPC层名义开裂应力达43.2MPa,200万次疲劳寿命达22.1MPa,疲劳性能满足要求,选择该方案进行改造。     

大跨径斜拉桥钢结构疲劳监测与评估

以某大跨径斜拉桥为研究背景，基于钢箱梁的定期检测结果，研究了该斜拉桥的钢结构疲劳性能。在疲劳开裂较严重的顶板与U肋焊接细节、关键受力部位的底板与U肋焊接细节、索梁锚固区焊接细节布置传感器，测试各主要焊接细节的疲劳应力历程，基于雨流计数法获得疲劳应力谱。分析结果表明:苏通大桥目前的交通流量远大于2010年前的交通流量；钢箱梁底板与U肋焊接细节、索梁锚固区锚固板与外腹板焊接细节的疲劳寿命评估结果大于设计使用年限；若不计焊接初始缺陷与焊接残余应力，顶板与U肋焊接细节不会过早地发生疲劳破坏。     

超大跨径斜拉桥钢桥面板疲劳损伤监测与断裂力学研究

为研究超大跨径斜拉桥钢桥面板的疲劳损伤问题,本文以某斜拉桥为工程背景,对实桥进行了现场疲劳损伤监测与分析,并基于断裂力学的三维裂纹扩展模型,对钢箱梁顶板-U肋和横隔板-U肋等焊接细节进行了数值仿真与研究。结果表明：实桥顶板-U肋焊缝细节高应力幅(大于10MPa)循环次数与疲劳损伤度明显低于横隔板-U肋细节,横隔板-U肋焊缝最大应力幅达到75~90MPa,顶板-U肋焊缝最大应力幅为15~30MPa,横隔板-U肋焊缝细节处裂纹数量远大于顶板-U肋焊缝细节处裂纹数量；顶板-U肋焊缝裂纹在扩展过程中基本保持平面,裂纹扩展有先沿焊缝方向纵向扩展,再向深度方向扩展的趋势；横隔板-U肋焊缝焊趾处裂纹先沿初始裂纹深度方向在横隔板扩展,再向横隔板厚度方向扩展,焊趾处裂纹先向U肋厚度方向扩展,后沿初始裂纹长度方向顺桥向扩展；在初始裂纹尺寸与荷载条件相同的情况下,顶板-U肋焊缝焊趾处裂纹扩展速度大于焊根处裂纹扩展速度,横隔板-U肋焊缝焊趾处裂纹扩展速率大于横隔板焊趾处裂纹扩展速率。     

预应力CFRP板加固钢梁抗弯疲劳试验研究

首先,采用修正的Pairs公式分析粘贴预应力CFRP板加固的钢构件的疲劳裂纹扩展行为.然后通过粘贴CFRP板的预制裂纹钢梁4点弯曲进行疲劳试验研究,最后基于阻止裂纹扩展的角度提出一种初步估计加固所需预应力大小的简化计算和设计方法.结果表明,粘贴预应力CFRP板对钢梁疲劳寿命的影响很大,与预制裂纹阶段比寿命提高最高可达10倍以上.不同的预制裂纹,同样的加固措施效果差别可达10倍.采用后张法施加预应力效果很好,锚固装置可以实时控制有效预应力,且预应力损失很小.     

基于神经网络的斜拉桥钢箱梁局部连接细节腐蚀疲劳可靠度研究（双语出版）

腐蚀与疲劳是影响斜拉桥钢箱梁服役可靠性的关键因素，为研究两者双重作用下斜拉桥钢箱梁服役期可靠度的衰退规律，开展了基于神经网络技术的斜拉桥钢箱梁局部连接细节腐蚀疲劳可靠度分析。首先，通过疲劳强度与钢材强度的关系以及腐蚀引起的钢材抗力衰变，得到了钢材腐蚀疲劳抗力时变模型。然后，通过基于均匀设计法的神经网络技术和非线性有限元方法进行斜拉桥钢箱梁腐蚀疲劳时变可靠度分析。采用均匀设计法得到影响结构可靠性的基本随机变量的设计样本点，基于ANSYS求解样本点处疲劳荷载作用下的钢箱梁应力幅，通过神经网络得到钢箱梁构件的应力幅函数显式表达式。在建立腐蚀疲劳抗力和疲劳荷载效应时变模型的基础上，构建了斜拉桥钢箱梁局部连接细节腐蚀疲劳时变可靠度的显式功能函数，基于FERUM程序采用JC法计算斜拉桥钢箱梁腐蚀疲劳时变可靠指标。最后以苏通大桥为例，采用所提方法对钢箱梁局部连接细节服役期的腐蚀疲劳时变可靠度进行了计算，并进行了参数敏感性分析。结果表明：桥面板和U肋腐蚀疲劳可靠指标均随时间增加而减小，但桥面板腐蚀疲劳可靠指标衰退越来越快，而U肋腐蚀疲劳可靠指标则衰退越来越慢，桥面板腐蚀疲劳寿命不足100年。研究结果为斜拉桥钢箱梁服役期的运营维护提供了指导。     

桁加劲梁悬索桥耳板节点抗疲劳性能研究

针对钢桁加劲梁悬索桥中的耳板节点存在应力集中,疲劳性能不明确的问题,对贵州坝陵河大桥钢桁加劲梁耳板节点进行足尺比例的疲劳模型试验.参考BS5400及AASHYO设计规范中疲劳设计的有关规定.考虑未来交通量的发展,计算得到耳板节点对应于200万次循环加载的内力幅.采用MTS全自动液压伺服疲劳试验机进行加载试验,研究了钢桁加劲梁耳板节点应力分布特点及关键构造细节的抗疲劳性能.研究结果表明,该结构部分区域存在一定程度的应力集中,在设计疲劳荷栽幅作用下,关键构造细节应力幅水平不高,经循环加载疲劳试验结构关键部位未发现疲劳裂纹,耳板节点的抗疲劳性能满足设计要求,并具有一定的安全储备.     

全体外预应力节段预制拼装连续梁桥承载能力足尺模型试验

芜湖长江公路二桥引桥首次采用了全体外预应力节段预制拼装连续梁桥,这一新型结构可采用工厂化预制,机械化安装,适应工业化建造,可显著提高建造效率,有效控制工程质量。为了对这种结构的受力性能进行全面研究,开展了全体外预应力节段拼装连续梁桥足尺模型试验。试验以背景工程5×40 m结构为原型,采用"1跨+1/3跨"的试验梁设计方案模拟连续梁特性。开展了施工全过程的同步测试,对梁体变形、结构应力和体外束应力变化进行了测试分析,并针对节段拼装连续梁的跨中断面开展了极限承载性能测试,分析了试验梁在极限破坏过程中变形、裂缝发展、体外束应力增量、主梁应力应变等结构响应。结果表明：采用"1跨+1/3跨"的设计方案能较好地反映连续梁的结构性能;施工过程中节段梁处于较好的弹性状态,跨内断面的纵向应力分布与体内束箱梁有很大区别,跨中断面纵向应力分布更为均匀;极限加载过程中,裂缝首先在弯矩最大断面附近接缝处出现,并形成一条主裂缝,沿着接缝逐渐向顶板发展,截面的受压区高度不断减小,结构的变形、顶板混凝土的压应力和体外束的应力也随之增大,最终因顶板混凝土压溃而丧失承载能力,试验梁实测承载能力为其设计承载能力的1.21倍;在极限加载过程中,体外预应力的最大增量为298 MPa。该新型结构的承载能力破坏过程为一个缓慢的延性变化过程,具有较好的安全储备,符合桥梁结构设计的要求。     

钢桁梁整体焊接节点疲劳性能模型试验

整体焊接节点钢桁梁具有广阔的应用前景,其疲劳性能由整体焊接节点所决定。以长清黄河大桥为研究对象,通过理论分析和两尺度疲劳破坏试验对钢桁梁整体焊接节点的疲劳性能进行了研究。首先通过全桥杆件内力分析和多尺度疲劳损伤分析确定了控制主桁疲劳性能的整体焊接节点位置及其控制构造细节;在此基础上设计了2类共21个试验模型,其中包括20个构造细节试样模型和1个足尺节段模型,进行了疲劳破坏试验,确定了整体焊接节点控制构造细节的主导疲劳开裂模式、应力集中系数和疲劳强度。研究结果表明：节点顶板、横梁上翼缘与节点板熔透对接焊连接细节是整体焊接节点疲劳性能的控制构造细节,其主导疲劳开裂模式为从节点板焊趾起裂并沿板厚扩展;实际受力模式下,控制构造细节中节点板焊趾应力集中系数为1.163,横梁上翼缘焊趾应力集中系数为1.789;2类试验模型的宏观疲劳裂纹起裂寿命均占总疲劳寿命的75%以上,故将2类试验模型的疲劳失效判据统一定义为出现宏观疲劳裂纹;基于此,2类试验模型所得到的控制构造细节疲劳强度等级基本一致;控制构造细节2种开裂模式名义应力疲劳强度等级均建议采用公路钢结构桥梁设计规范中的FAT80,热点应力疲劳强度均建议采用欧规中的FAT90。     

大跨连续刚构桥预应力混凝土箱梁的长期挠度预测探讨

提高对混凝土收缩徐变的长期挠度预测精度，是大跨度桥梁设计中要解决的一个关键问题。根据已测得的虎门大桥连续刚构桥挠度长期观测数据，建立有限元模型，分阶段对大跨连续刚构桥预应力混凝土箱梁的徐变变形进行理论分析。探讨主梁上下缘应力差与结构徐变的关系。拟用文献[1]提供的某主跨270m连续刚构桥挠度长期观测的实测数据，考虑新规范中的可变作用准永久值对理论徐变计算值进行验证，通过有限元分析对成桥后的长期徐变变形给出较准确的预测，并得出挠度长期增长系数，为此类桥梁的长期挠度预测提供依据。