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。     

轮载横向分布对正交异性钢桥面板疲劳行为的影响研究

由于车辆轮载横向位置的离散性,在对正交异性钢桥面板进行疲劳验算时,采用单迹线加载方式求得的等效应力幅值较真实值偏大,而我国规范未就轮载横向分布对等效应力幅的折减作用做出明确规定。采用国内道路观测统计得出的轮载横向分布特征,建立了3种具有典型构造特征的正交异性钢桥面板有限元模型,研究了轮载横向作用位置对正交异性钢桥面板各构造细节应力循环特征的影响,依据Miner线性累积损伤准则,分析了轮载横向分布对等效应力幅的折减作用,得出了应力幅折减系数,建议取为0.85。     

崇启大桥环氧沥青混凝土铺装对钢桥面板疲劳应力幅的影响研究

崇启大桥是目前我国建设的最大跨度连续钢箱梁桥,采用了正交异性钢桥面板和环氧沥青混凝土铺装层。由于铺装层分散了车辆的轮载,使正交异性钢桥面板主要构造细节在使用寿命内的等效应力幅值相应折减,而国内相关规范未对这一折减作用做出规定。建立了崇启大桥正交异性钢桥面板及其铺装层的有限元模型,计算了不同环境温度下正交异性钢桥面板主要构造细节的应力循环特征,依据Miner线性累积损伤准则,分析了环氧沥青铺装对等效应力幅的折减作用,得出了应力幅折减系数。     

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。     

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.     

疲劳荷载模型Ⅲ下的公路钢结构桥梁疲劳性能分析

结合《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)疲劳荷载模型Ⅲ,以某城市高架分离式双箱钢箱梁正交异性桥面板为研究对象,建立其正交异性桥面板的精细化分析模型。通过有限元方法得到U肋疲劳敏感细节在疲劳荷载模型Ⅲ下的应力分布,验算了其疲劳强度。分析结果表明:正交异性钢桥面板疲劳强度满足抗疲劳设计要求。在疲劳荷载模型Ⅲ作用下,悬臂板处U肋疲劳细节的等效应力幅较箱内和横梁处大,悬臂板处U肋构造细节相对其余位置更容易发生疲劳损伤,为钢箱梁抗疲劳设计验算的控制部位。同时,钢箱梁大悬臂下翼缘疲劳应力幅值较大,设计时需引起重视。     

轮迹横向分布对钢桥面板疲劳应力幅的影响

为了对正交异性钢桥面板考虑轮迹横向分布影响时疲劳应力谱的简化计算提供参考,以港珠澳大桥正交异性钢桥面板为例开展研究。在对比分析国内外轮迹横向分布研究成果的基础上,采用ANSYS有限元软件建立实桥疲劳控制梁段三维仿真分析模型,研究了3种典型轮迹横向分布模型对疲劳易损细节应力幅的影响。研究结果表明:考虑轮迹横向分布的影响计算等效应力幅时,可仅考虑轮迹横向最不利位置所在车道的轮载贡献;不同易损细节之间折减系数的波动随轮迹分布模型集中程度的增加而增加;轮迹横向分布对等效应力幅的影响随易损细节位置至顶板距离的增加而增加;等效应力幅折减系数可取为0.9。     

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。     

钢桥面板与纵肋连接焊缝熔透率及疲劳性能影响研究

钢桥面板纵肋与顶板焊缝兼具连接与传力双重功能,其焊缝熔透率是影响构造细节疲劳性能的关键因素之一。以某长江公路大桥正交异性钢桥面板结构中的纵肋与顶板连接焊缝为研究对象,根据设计参数建立了三维板壳-实体混合有限元仿真分析模型,基于分析结果系统研究了焊缝熔透率变化对于纵肋与顶板构造细节应力分布特性与等效应力幅值的影响效应。研究结果表明:熔透率变化主要影响构造细节横向与纵向应力历程中的拉应力与压应力极值,但对于不同的失效模式其影响效应具有较大差异;在相同熔透率条件下,构造细节相应于纵肋焊趾与顶板焊根位置的等效应力幅值较大,具有更高的疲劳开裂风险;确定合理的焊缝熔透率取值应综合考虑不同失效模式下构造细节的疲劳性能。     

随机车辆荷载流下UHPC加固正交异性钢桥面板疲劳性能评估

疲劳开裂是正交异性钢桥面板常遭遇的病害之一,而其与桥面铺装刚度较大使得关键细节应力幅过大密切相关,因此,利用UHPC提升桥面铺装刚度是缓解疲劳应力的重要手段.为研究实际车流作用下的关键细节的疲劳性能,以跨沿洛河某公路斜拉桥为例,开展了钢-UHPC组合铺装正交异性钢桥面板构造细节的应力影响面分析,并利用监测记录的实际车流...     

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。     

2种弧形切口对RF构造细节疲劳性能影响的现场监测

现场监测能真实反映结构的构造细节、边界约束和桥面加载条件,是正交异性钢桥面板疲劳评价最合理有效的方法之一。基于某正交异性桥面板钢箱梁桥,通过监测随机车流下同一车道紧邻的2个横隔板上疲劳敏感构造细节的应力响应时程,对比2种不同弧形切口正交异性钢桥面板构造细节的应力响应;通过雨流计数法获取构造细节应力谱,再基于米勒线性累积损伤准则计算疲劳等效应力幅和等效加载次数;最后基于AASHTO LRFD规范条文计算相关构造细节的疲劳寿命。研究结果表明:横隔板弧形切口构造细节总应力是面内应力分量主导,小弧形切口峰值应力时面外应力对总应力的比不大于23%,而大弧形切口仅略减小到20%,但大弧形切口削弱了横隔板腹板,使得传递面内竖向应力的面积减小,反而增大了弧形切口构造细节的应力,因而大弧形切口构造细节的疲劳寿命仅为10.6年,低于小弧形切口的14.2年;对纵肋-横隔板(Rib-to-floorbeam,RF)焊缝构造细节而言,大弧形切口减轻了RF之间的相互约束,能一定程度减小RF纵肋侧和RF横隔板侧的应力响应;但增大了RF围焊处因弯曲产生的压应力,从而导致横向泊松效应在该构造细节处产生大的二次应力;采用小弧形切口时估计的纵肋-横隔板焊缝构造细节的疲劳寿命大于100年,而采用大弧形切口对应寿命仅为31年。研究结果可为正交异性钢桥面板抗疲劳设计和加固提供有益的参考。     

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。     

不同钢桥面板厚度下疲劳性能分析

针对钢箱梁正交异性钢桥面板极易出现的疲劳破坏,在有限元分析软件ANSYS中建立某钢箱梁车行天桥的疲劳分析模型,分析不同顶板厚度及不同横隔板间距下的4个典型疲劳细节点处的疲劳应力,并根据钢桥设计规范验算这些工况下的等效常值应力幅。结果表明,桥面板厚度的适当增加,可以有效降低各构造细节处的疲劳应力,而横隔板间距的减少,也能在一定程度上改善桥面板的疲劳性能。     

新型半开口纵肋正交异性钢桥面板疲劳性能试验研究

为了改善常规正交异性钢桥面板的疲劳开裂问题,提出新型半开口纵肋正交异性钢桥面板结构,该结构通过在纵肋底部开口实现顶板与纵肋双面焊接,提高焊缝质量,降低纵肋与横隔板的刚度差。为验证该新型钢桥面板的疲劳性能,设计制作钢桥面板节段足尺模型进行疲劳试验,采用应力应变法、数字图像法、声发射法等技术监测应力和裂纹发展。结果表明:在1 000万次循环加载过程中,新型钢桥面板各构造细节处均未出现疲劳裂纹;与常规正交异性钢桥面板相比,新型钢桥面板纵肋与横隔板连接处的应力幅大幅降低;新型钢桥面板结构显著改善了正交异性钢桥面板的抗疲劳性能。     

铺装层对正交异性钢桥面板疲劳性能影响效应研究

为研究铺装层对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响,以港珠澳大桥标准联边跨跨中为背景,选择3类典型正交异性钢桥面板疲劳细节,考虑铺装层与钢桥面顶板的层间结合状态,铺装层的厚度、弹性模量、组成成分,建立该桥正交异性钢桥面板有限元模型,分析铺装层各因素变化下3类疲劳细节的应力幅变化;通过分析铺装层轮载扩散效应的扩散角对各疲劳细节应力幅的影响,提出合理扩散角,以此来考虑铺装层对钢桥面板的作用。研究结果表明,铺装层与钢桥面板间接触状态对正交异性钢桥面疲劳性能的影响较小;铺装层各参数对正交异性钢桥面板的疲劳性能影响较大;当进行钢桥面板抗疲劳设计时,可取轮载扩散角≤30°或采用BS5400所推荐的26.5°,或者偏安全地忽略铺装作用效应,以简化分析过程。     

武汉军山长江大桥超高性能混凝土组合桥面改造技术及实施效果分析

针对武汉军山长江大桥桥面铺装层损坏和正交异性钢桥面板疲劳开裂的问题,珠京方向半幅桥面改造为钢-超高性能混凝土轻型组合桥面结构,厚55 mm的超高性能混凝土(UHPC)层采用短栓钉与钢桥面板连接,与上部SMA10沥青混凝土(厚30 mm)采用环氧树脂粘结材料连接。利用ANSYS软件建立局部梁段有限元模型,进行改造前、后的疲劳细节处应力幅对比分析,并基于健康监测系统以及钢箱梁局部应变监测系统,对组合桥面改造后效果进行实时监测。结果表明:UHPC层对面板与U肋连接细节应力影响极为明显,与柔性铺装相比,应力降幅最高为86.4%,可极大降低钢桥面板的开裂风险;桥面改造后,U肋底部、顶板底部、横隔板构造细节处的应力幅值、等效应力均明显降低,可显著提高钢桥面板的疲劳寿命。     

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。     

钢桥面板与纵肋焊接细节关键构造参数及其疲劳效应分析

为研究钢桥面板主要构件参数取值导致的疲劳效应,以某公路大桥正交异性钢桥面板U形纵肋与顶板构造细节为研究对象,建立精细化板壳与实体混合有限元仿真分析模型,分析纵肋和顶板厚度变化及其匹配组合对于该构造细节应力历程、等效应力幅值和疲劳累积损伤的影响效应。结果表明:纵肋和顶板厚度均是影响其构造细节疲劳性能的关键性参数,但其厚度变化对于疲劳性能的影响具有一定的差异;在相同的构造参数下,相应于顶板焊趾和焊根2种失效模式的疲劳性能并不一致,相较而言顶板焊根位置具有更高的疲劳开裂风险;适当增大纵肋厚度可有效延缓纵肋与顶板构造细节的疲劳损伤累积过程,合理构造参数的确定应综合考虑经济性和制造工艺等因素。