双面V形角焊缝焊接细节热点应力集中系数

该文以某钢桁结合梁斜拉桥为研究背景,基于外推法和Dong氏法,研究了双面V形角焊缝焊接细节热点应力集中效应,确立了热点应力计算方法,分析边界条件、网格划分对热点应力集中系数的影响。结果表明:边界条件对计算结果影响不明显,网格划分密度对计算结果影响较大,需予以重视。     

正交异性钢桥面板U肋-盖板焊接节点的疲劳性能试验

为深入研究正交异性钢桥面板U肋-盖板焊接节点的疲劳性能及其破坏机理,设计了6个足尺试件模型开展试验研究。首先进行中心加载和偏心加载两种加载工况下的静力试验,对焊缝附近区域的钢板表面应力进行实测,得到热点应力分布规律及应力集中系数;随后进行不同热点应力幅下的高周疲劳循环加载,得到相应的疲劳破坏模式、疲劳寿命、疲劳裂纹扩展过程及速率、刚度退化等实测数据。结果表明:U肋-盖板焊接节点的最大热点应力位于盖板焊趾处;节点在循环荷载作用下的疲劳裂纹扩展过程大致分为裂纹萌生、裂纹稳定扩展、裂纹贯穿壁厚、断裂失效4个阶段,且裂纹贯穿盖板壁厚之后的剩余疲劳寿命可忽略不计;疲劳开裂初期的裂纹扩展速率较为稳定,裂纹贯穿盖板厚度之后的扩展速率明显加快;节点刚度在裂纹长度达到150 mm时开始出现下降趋势,并在裂纹贯穿盖板厚度之后发生刚度急剧退化。通过疲劳寿命数据对比,可以认为采用IIW规范的FAT100级S-N曲线对正交异性钢桥面板U肋-盖板焊接节点的疲劳寿命进行预测和评估是偏于安全的。     

公铁两用斜拉桥塔梁结合处焊接细节热点应力分析

为了确立热点应力的有效计算方法、获得节点焊缝周围的应力分布规律,以郑州黄河公铁两用钢桁主梁斜拉桥为研究背景,在全桥整体及桥塔与主桁局部结合部位有限元应力分析的基础上,把桥塔焊趾处局部有限元模型作为粗糙模型(原始模型),将中桁上弦顶板与桥塔结合处的焊趾模型从粗糙模型中“萃取”出来,采用外推法计算热点应力集中系数;分析边界条件、网格划分对热点应力集中系数的影响.分析结果表明,边界条件对计算结果影响不明显;网格划分对计算结果影响较大,但网格细化到一定程度以后,由单元划分密度引起的计算结果差异不到0.5％.     

基于有限元的复合钢混凝土桥梁热点应力分析

复合钢混凝土桥梁在其使用周期中受交通荷载影响产生显著动态影响,此时焊接接头是桥梁最薄弱部位之一。采用热点应力法(HSM),对考虑车速和路面粗糙度的焊接变形疲劳接头进行了疲劳寿命评估,用实体单元模拟焊接接头,建立三维动态车—桥互动模型。考虑桥式车辆与路面粗糙度动力相互作用,考虑全局和局部的应力和对疲劳寿命的高散射动态放大效应。局部方法表明,详细的局部应力定义是评估现有道路桥梁疲劳性能的基础。此外讨论了年交通量增长率对疲劳寿命的影响。     

桥梁正交异性板焊接构造热点应力计算方法研究

为研究加劲肋与横隔板开孔焊接关键构造部位的热点应力建模计算方法,基于热点应力计算理论,以甬江特大铁路斜拉桥为背景,应用ANSYS有限元软件,采用4种单元(Solid45、Solid95、Shell63、Shell93)及3种网格精度(1,3,5mm)建立有限元模型,利用4种外推方法(IIW线性法、ABS/DNV线性法、IIW二次法以及Dong氏法)进行热点应力计算,并结合疲劳试验分析外推方法及模型单元对计算结果的影响。结果表明:单元类型、网格精度以及应力外推方法对热点应力计算值影响较大;在距焊趾0.4t(t为板厚)范围内,热点应力计算值受网格划分精度的影响较大,而在距焊趾0.4t~2.0t范围内得到较好的收敛;推荐采用Solid95单元进行建模,采用IIW线性外推法进行热点应力计算。     

海洋环境下耐候钢十字非传力焊接接头腐蚀疲劳性能试验研究

腐蚀疲劳严重危害在役钢桥服役安全。为研究海洋环境下耐候钢桁梁桥焊接节点的腐蚀疲劳性能,对23个Q420qFNH耐候钢十字非传力角焊缝焊接接头进行实验室干/湿交替中性盐雾加速腐蚀及腐蚀后疲劳试验,采用失重法得到试件的失重率和腐蚀速率,对接头腐蚀形貌及疲劳断裂失效的宏观断口形态进行分析,拟合得到经历不同腐蚀时长后试件的名义应力和热点应力S～N曲线。结果表明：耐候钢十字非传力角焊缝焊接接头疲劳裂纹均萌生于焊趾处并沿板厚扩展失效,疲劳寿命由焊缝控制,接头焊趾附近腐蚀坑的形成与生长加剧了焊接接头的疲劳裂纹萌生;焊接接头的疲劳性能劣化程度随腐蚀损伤效应的增加而增加,但疲劳强度折减量与腐蚀时间并未呈线性关系,锈层逐渐具有保护性;未腐蚀前名义应力和热点应力疲劳强度等级分别建议采用《公路钢结构桥梁设计规范》中的FAT80和Eurocode 3规范的FAT110进行评估,腐蚀后的疲劳强度折减量建议参照美国耐候钢桥指南规定C类细节选取。     

超大跨径斜拉桥焊接细节热点应力集中系数研究

该文以某斜拉桥为研究背景,基于外推法和Dong氏法,研究了超大跨径斜拉桥钢箱梁焊接细节热点应力集中效应,确立了热点应力计算方法,并测试分析了各主要焊接细节焊趾应力集中效应。结果表明:边界条件对计算结果影响不明显,网格划分密度对计算结果影响较大,需予以重视。     

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。     

宿淮京杭运河特大桥管节点的疲劳性能研究

工程中常用的评价管节点疲劳寿命的方法是使用S-N曲线.当管节点承受疲劳荷载作用的时候,可以通过数值方法得到沿着焊缝处的热点应力幅的大小.采用有限元软件ANSYS计算了宿淮铁路京杭运河特大桥的H3横撑T形管节点在轴向力、平面内弯矩以及平面外弯矩作用下的热点应力,根据相关计算方法得出节点处应力集中系数以及支管和弦管应力集中系数的分布,通过计算发现,最大应力集中系数出现在支管,说明在疲劳荷载作用下,支管会先破坏.然后通过S-N曲线,可以预测此节点在破坏前可以承受疲劳载荷的循环次数.     

复杂环境下对接焊缝疲劳性能数值分析

为了研究钢桥在复杂环境中焊接接头的疲劳性能,通过建立Q420qD钢板对接焊缝有限元模型,针对焊缝区域存在腐蚀、火灾的工况作用下,基于S～N曲线方法,对对接焊缝的疲劳寿命进行估算。结果表明:对接钢板焊接完成后在焊趾产生较大残余应力,焊缝经过热处理后焊趾残余应力降低61.8%;存在腐蚀坑的焊缝边缘产生较大应力集中现象;未处理过的对接焊缝疲劳性能明显高于规范公式计算值,而存在腐蚀坑损伤的对接焊缝疲劳性能大幅降低,焊缝经过热处理后其疲劳性能得到了改善。     

基于热点应力法的正交异性钢桥面板疲劳寿命评估

<正>交异性钢桥面板构造复杂,其疲劳性能由各疲劳细节共同决定,既有规范推荐的寿命评估方法已不能满足设计要求。为准确评估其疲劳寿命,引入热点应力法,根据Eurocode规范确定疲劳检算加载工况和荷载谱;采用国际焊接协会IIW推荐的外推方法,计算其关键易损部位热点应力谱;采用泄水法对热点应力谱进行分析,通过热点应力S~N曲线和线性累积损伤理论计算其寿命。以某城市立交桥典型正交异性钢桥面板为研究对象,采用热点应力法评估其疲劳寿命。结果表明:该桥的疲劳寿命为103年,满足设计要求且有一定安全储备量;与名义应力法相比,热点应力法能够有效避免复杂应力状态下名义应力难以定义的问题,更适用于正交异性钢桥面板的寿命评估。     

斜拉桥钢锚拉板区域焊接应力消除试验研究

对重庆江津观音岩大桥索梁锚固区域部分进行了3个足尺比例试件的焊接残余应力测试,并对其焊缝进行了超声波冲击试验,以研究超声波冲击对钢锚拉板区域各焊缝应力的影响情况。测试和试验研究结果表明,钢锚拉板区域各焊缝存在着相当大的焊接残余应力,特别是在平行于焊缝长度方向的应力,不少测点已接近屈服强度。通过采用超声波冲击工艺,大幅度地减小和消除了该区域的焊缝残余拉应力,3个试验试件的各焊缝在平行和垂直于焊缝长度方向的应力平均下降50%以上,最大的下降96.5%,不少测点应力已由拉应力变为了压应力,有效地改善了应力的状态,从而使结构的受力更合理,应力分布趋于均匀。超声波冲击可以作为一种解决斜拉桥桥钢锚拉板区域焊接应力过大问题的有效的方法,对提高接头的疲劳寿命有明显作用。     

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。     

带过焊孔焊接细节疲劳性能优化及试验研究

为了提高带过焊孔焊接细节的疲劳寿命,以某钢桁梁桥为背景,针对其翼缘板和斜腹杆的焊接构造,通过在过焊孔处填半圆弧板和焊缝错开的形式对其疲劳性能进行优化,制作带过焊孔焊接细节和优化模型的试件,进行疲劳试验测试其疲劳寿命,并结合有限元分析对比各模型的疲劳性能,验证优化措施对疲劳性能的改善效果。结果表明:在过焊孔处填半圆弧板可有效改善带过焊孔焊接细节的局部应力集中现象,提高其疲劳寿命,在高应力幅作用时效果更加显著;对接焊缝错开可显著提高带过焊孔焊接细节的疲劳寿命,其改善效果优于在过焊孔处填半圆弧板,在实际工程结构中推荐优先采用。     

考虑热点应力的单索面斜拉桥正交异性钢桥面板疲劳性能研究

正交异性钢桥面板因其抗震性能好、施工进度快等优点在现代大跨径桥梁建设工程中得到广泛应用,但同时又因其复杂的构造和传力路径,使焊接处在往复车辆荷载作用下产生严重的局部应力集中,最终导致疲劳损伤降低使用寿命。广泛存在于焊接结构内部的焊接残余应力在疲劳荷载作用下,会通过降低疲劳强度储备并促进初始裂纹的扩展严重影响结构的疲劳性能,进而降低结构的疲劳寿命,因此在正交异性钢桥面板的疲劳性能研究过程中应充分考虑到焊接残余应力的影响。以南京某单索面斜拉桥为背景工程,运用ANSYS有限元分析软件对该桥进行了多尺度建模分析。通过钢箱梁节段模型分析,分析横纵桥向应力影响范围为横桥向5个U肋×纵桥向2个横隔板间距,并根据规范中的车载疲劳模型Ⅲ确定了在疲劳细节正上方时加载为最不利加载工况。同时应用子模型技术法建立了精细实体模型,讨论了网格尺寸对应力分布与热点应力值的影响。最后得出厚度方向网格层数增至4层时对应的焊趾应力已达到数值收敛,外推区应力差值结果较为稳定,对于Solid95单元模型,厚度方向适合划分4层单元。     

基于热点应力法的钢管混凝土桁式拱桥节点疲劳评估

为准确预测钢管混凝土桁式拱桥节点疲劳寿命,提出一种基于热点应力的疲劳评估方法。该方法采用全桥多尺度三维有限元模型计算节点热点应力幅,并进行回归分析得到钢管混凝土节点的热点应力幅S～N曲线。基于该方法对一座已建成的钢管混凝土桁式拱桥进行节点疲劳评估。结果表明：疲劳易损部位位于1/4跨附近的拱肋上弦节点,起始裂纹位于节点主管表面的冠点处;采用《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)中的疲劳荷载计算模型Ⅱ和疲劳荷载谱计算得到的疲劳寿命分别为20 210 049次和27 311 265次,采用疲劳荷载谱计算时多车效应纵向修正为14.9%;采用《公路钢结构桥梁设计规范》预测的节点疲劳寿命偏低,导致设计偏于保守。     

U肋-面板全熔透焊接接头疲劳性能试验

正交异性桥面板U肋-面板焊接接头为疲劳裂纹多发部位,为了提高U肋-面板焊接接头疲劳性能,分析目前规范中对该构造细节的疲劳设计要求以及疲劳问题依然存在的原因,在目前主要采用部分熔透焊形式的背景下,考虑引入全熔透焊接以期达到提高疲劳性能的目的。研究围绕一种全新的U肋-面板全熔透焊接接头的疲劳性能分别开展构造细节和节段足尺模型试验研究。试验结果表明：全熔透疲劳裂纹都是始于U肋内侧焊趾处,沿着U肋腹板厚度方向发展,部分熔透焊裂纹主要始于未熔透焊缝的焊根部位,沿焊喉方向发展,直至贯通整个焊喉,且在同样加载条件下,全熔透焊裂纹产生的加载次数明显高于部分熔透焊;全熔透焊的热点应力试验测试值与理论计算值基本一致,U肋焊趾部位应力集中明显,内侧受拉外侧受压,解释了疲劳裂纹起始点为U肋焊趾内侧;经回归计算得到热点应力疲劳强度为263.8 MPa;将足尺节段疲劳试验加载幅度对应的加载次数换算为公路桥梁规范单车轮轮载60 kN所对应的加载次数,2个试件加载次数都超过1.2亿次,且U肋-面板全熔透焊接接头依然没有疲劳裂纹产生,表明U肋-面板全熔透焊接接头具备优良的抗疲劳性能。     

钢桥面板顶板-U肋焊接接头热点应力的精细有限元分析

针对正交异性钢桥面板顶板-U肋焊接接头突出的疲劳问题,以广东虎门二桥坭洲水道桥为例,基于国际焊接协会推荐的热点应力法,利用ANSYS有限元软件建立的参数化热点应力精细有限元分析模型,对顶板-U肋焊接接头热点应力受顶板厚度、熔透率、组装间隙等参数的影响进行了精细有限元分析,结果表明:顶板厚度由16 mm增加到18 mm,顶板焊趾、焊根热点应力降低约26%、28%;顶板厚度由16 mm减小到14 mm,顶板焊趾、焊根热点应力增加约38%、96%;肋板厚度由8 mm增加到10 mm,肋板焊趾、焊根热点应力降低约20%,而顶板焊趾、焊根热点应力略有增加;熔透率由60%增加到100%(全熔透),肋板焊趾、焊根热点应力降低约10%;熔透率为30%时,组装间隙由0.5 mm增加到3.5 mm,肋板焊趾、焊根热点应力增加约9%;焊趾高度由8 mm增加到10 mm或角度由40°变为30°,顶板焊趾热点应力降低约4%或11%。最后,结合一种新兴的U肋内焊技术,即将传统的顶板-U肋单面焊接接头发展为双面焊接头,通过扩展上述参数化热点应力精细有限元分析模型,对采用U肋内焊技术后的顶板-U肋焊接接头热点应力的变化及受熔透率、内焊趾高度、内焊趾角度等参数的影响进行了精细有限元分析,以为今后U肋内焊技术在正交异性钢桥面板结构的工程应用提供一些合理化建议。     

基于结构应力法的斜拉桥锚箱疲劳寿命评估与试验研究

焊接钢结构的抗疲劳设计采用规范推荐的S-N曲线结合试验修正的方法,但由于疲劳细节和荷载的复杂性,很难找到相对应的S-N曲线且试验的成本较高。结构应力法可以从理论上对结构的疲劳寿命进行预测,近年来受到广泛关注。为了评估大连市滨海大道西延伸线工程斜拉桥锚箱结构的疲劳性能,开展了足尺模型试验,并基于结构应力法评估了锚箱的疲劳寿命。通过建立全桥有限元模型分析了各斜拉索的索力,并考虑平均应力的影响确定试验加载的最大峰值和最小峰值。在完成规范要求的疲劳循环后,为进一步探究锚箱超长期服役的疲劳性能,增大加载幅值经过276万次的疲劳加载,锚箱结构的力学性能和刚度均未出现明显变化。基于结构应力法预测锚箱的疲劳寿命为9.17×10~6次。综合结构应力法评估结果和疲劳试验研究表明锚箱的疲劳性能可靠,能够满足工程要求。     

杨浦大桥钢箱梁疲劳应力监测及寿命分析

针对杨浦大桥钢箱梁,进行了疲劳应力的监测分析和疲劳寿命的预测研究.利用实桥布设的应变传感器获取应变时程数据,处理成应力时程数据后,结合雨滴计数法技术,得到日应力谱,并通过相关统计分析得到了标准日应力谱.利用标准日应力谱数据和相关疲劳规范,研究了杨浦大桥钢箱梁的疲劳寿命等问题.研究结果表明,由于车辆荷栽谱或有限元模型均存在大量的假定简化,利用记录的应变(应力)时程数据进行疲劳寿命评估,为准确可靠的研究方法;主梁最容易发生疲劳破坏的部位是各个构造细部,因为在构造细部处往往会产生应力集中,使该处应力远高于构件其他部位;根据相关疲劳规范,杨浦大桥钢箱梁角焊缝具有良好的抗疲劳性能,不会由于疲劳受力而破坏.