正交异性钢桥面U肋横梁相交处疲劳寿命的估算

为估算正交异性钢桥面U肋与横梁相交处的疲劳寿命,以某新建铁路桥节段正交异性钢桥面足尺试件为研究对象,建立两个阶段有限元模型进行了计算分析。通过应用ANSYS有限元软件建立铁路桥节段正交异性钢桥面足尺试件整体模拟,对比分析了正交异性钢桥面U肋横梁相交处的应力和位移计算值与足尺试件相应部位的试验值,发现正交异性钢桥面有限元计算值与足尺试件试验值吻合的很好。在此基础上,采用子模型技术建立了正交异性钢桥面U肋与横梁相交处带椭圆形裂纹的二阶段模型,将退化奇异单元布置在椭圆形裂纹前沿,通过位移外推得到了不同裂纹深度下裂纹尖端的应力强度因子,得到不同裂纹深度与应力强度因子的关系曲线,分析了应力强度因子随裂纹扩展深度的变化规律。基于初始裂纹尺寸合理判定,将应力强度因子数值与裂纹尺寸的函数关系式代入疲劳裂纹扩展模型Paris公式,逐步数值积分得到正交异性钢桥面U肋与横梁相交处的疲劳寿命。计算结果与试验结果进行了比较,发现初始裂纹尺寸为0.1 mm时,计算结果与试验结果最为接近。不同初始裂纹尺寸的裂纹扩展曲线表明位于U肋与横梁相交位置裂纹的疲劳寿命主要消耗在开裂初期,后期裂纹扩展寿命对疲劳寿命贡献不大,这可以解释试验中观察到疲劳裂纹萌生、发展的现象。     

正交异性钢桥面板的贯穿型疲劳裂纹扩展特性分析

为了研究钢桥面顶板与U肋焊缝处贯穿型裂纹的应力强度因子和扩展行为,结合线弹性断裂力学理论与ABAQUS-FRANC 3D交互技术,建立了钢桥面顶板焊缝处贯穿型裂纹的数值分析模型,开展了不同初始长度贯穿裂纹应力强度因子的分析和单一长贯穿型裂纹扩展模拟的研究。对比分析了顶板与U肋焊缝细节处不同长度贯穿型裂纹的裂尖应力强度因子,揭示了初始裂纹尺寸与基础裂纹的应力强度因子之间的变化规律,考虑K_Ⅱ、K_Ⅲ对单一长贯穿型裂纹扩展的影响。数值分析结果表明：在规定荷载作用下,基础裂纹尺寸与初始应力强度因子成正比;随着贯穿型裂纹的桥纵向开裂,扩展趋势稳定;对比只考虑I型开裂贯穿型裂纹,引入K_Ⅱ、K_Ⅲ贯穿型裂纹扩展速率明显减缓：贯穿裂纹初始长度相同的情况下,仅考虑K_I的裂纹平均扩展速率为4.097 mm·c^-5,考虑K_Ⅱ、K_Ⅲ的裂纹平均扩展速率为1.565 mm·c^-5,扩展速率抑制效果明显。     

基于断裂力学的UHPC加固钢桥面板性能分析

正交异性钢桥面板的板-肋焊接处是车辆荷载下极易开裂的位置,通过UHPC加固可以有效减小钢桥面板的疲劳风险。为了研究UHPC加固钢桥面板的效果,基于线弹性断裂力学展开有限元分析。通过正交异性钢桥面板试验案例作为参考对焊趾处的疲劳性能进行计算,验证了有限元模型的可靠性,通过在焊接细节处插入初始裂纹进行应力强度因子计算分析,考虑不同加载位置以及UHPC层厚度对裂纹尖端的应力强度因子值的影响。研究结果表明：顶板处焊缝位置的热点应力要高于U肋处的焊缝,热点应力受荷载位置影响较为明显;增加UHPC层可有效增加正交异性钢桥面板的刚度,从而减少裂纹尖端的应力集中,增设50 mm厚的UHPC铺装层时,初始裂纹尖端的应力强度因子减小约89%,研究内容可为UHPC加固钢桥面板设计提供参考。     

钢桥面板横隔板多裂纹扩展三维数值模拟及其特性研究

针对正交异性钢桥面中横隔板弧形开孔处存在的多裂纹这一特殊情况,采用通用有限元软件ANSYS建立了含多裂纹的有限元数值模型。基于所建立的数值模型,通过计算精度较高的相互作用积分法得到裂纹尖端应力强度因子K,并将其作为基本参量对多裂纹的扩展特性进行分析研究。研究结果表明:正交异性钢桥面板中初始存在多条裂纹时,随着荷载循环作用次数的增加,裂纹扩展将发展成以其中一条裂纹作为主裂纹进行扩展,剩余裂纹则在扩展至一定长度后停止扩展;横隔板弧形开孔边缘产生的角裂纹后期将扩展成穿透型裂纹,该处疲劳裂纹扩展到后期为穿透型疲劳裂纹。     

钢桥面板纵肋双面焊构造疲劳裂纹扩展特性研究

正交异性钢桥面板纵肋构造细节疲劳危害严重,修复困难,传统单面焊构造疲劳抗力不足是导致该部位疲劳开裂频发的主要原因。采用双面焊构造可望显著提高该构造细节的疲劳抗力,而初始焊接缺陷是该类构造细节疲劳抗力的关键影响因素。以双面焊构造为研究对象,基于线弹性断裂力学理论,建立多裂纹扩展模拟方法,通过多裂纹扩展试验验证该方法的可行性;在此基础上,对焊根处存在单一和多个初始缺陷条件下构造细节疲劳裂纹扩展特性进行研究。结果表明：外侧焊根单裂纹、内侧焊根单裂纹与焊根多裂纹扩展模式均为Ⅰ型开裂主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹扩展模式;多裂纹扩展特性并不显著,多裂纹在扩展初期由于临近裂纹等效应力强度因子幅值的迅速降低而转变为单一裂纹,此后其扩展规律与外侧焊根单裂纹扩展规律基本一致;3种裂纹在扩展初期裂纹形状比变化规律存在差异,但随着扩展深度的增加,等效应力强度因子幅值下降段变化规律基本一致,裂纹扩展达到一定深度后均呈扁平状且随扩展深度增加扁平状趋势更加显著;外侧焊根处的单一缺陷是控制钢桥面板纵肋双面焊构造疲劳抗力的主要缺陷,制造时应采取有效措施避免这类缺陷。     

在汽车荷载作用下U型肋尺寸对钢桥面力学性能的影响

为了探明在车辆荷载作用下U型肋开口大小、桥面铺装对钢桥面板力学性能的影响,本文以带有U型肋的简支梁钢桥面为研究对象,进行局部建模有限元分析。分析中采用abaqus通用有限元软件建立了9个钢桥面局部模型,U型肋开口及间距分别选取的170mm（密肋形式）,320mm（标准形式）和340mm（大开口形式）3种类型、桥面铺装为SMA沥青混凝土材料,并考虑了桥面铺装材料受季节温度的变化。从标准车辆轮载作用下模型典型部位的应力分布、竖向变形等有限元结果可知：（1）桥面铺装有无对标准U型肋及大开口U型肋构造的桥面应力分布影响较大,桥面铺装大大较少了桥面的竖向变形及应力幅值;（2）适当增加U型肋开口大小、间距及钢板厚度,有桥面铺装的情况下,桥面竖向变形满足规范要求,同时有效减小钢桥面应力幅值,提高了钢桥面疲劳性能;（3）季节温度的变化对桥面的变形和应力也有一定的影响,春秋季节时,桥面受车辆荷载作用下产生的应力和变形较小。     

钢桥面板纵肋-顶板焊缝细节疲劳裂纹的应力强度因子分析

为研究正交异性钢桥面板纵肋-顶板焊缝位置的疲劳裂纹扩展特性,以某钢箱梁斜拉桥为工程背景,基于线弹性断裂力学与扩展有限元方法,通过ABAQUS软件建立纵肋-顶板三维裂纹扩展模型,引入半椭圆初始裂纹,对焊根与焊趾裂纹尖端的应力强度因子进行分析.分析结果表明,在车辆荷载的作用下,纵肋-顶板连接细节的疲劳裂纹是以Ⅰ型为主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹;裂纹在横向位于车轮正下方,纵向位于两车轴中间时,疲劳裂纹扩展趋势最大;在车辆经过裂纹附近2 m范围内时,应力强度因子在最值间波动,对裂纹扩展产生较大影响.     

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.     

钢桥面板纵肋对接焊缝疲劳裂纹扩展特性及加固方法研究

针对钢桥面板纵肋对接焊缝中典型的疲劳开裂情况,为研究萌生于该处的疲劳裂纹在后期扩展过程中所表现的特征,以及根据其扩展机理采用在纵肋底板栓接钢板的加固效果的评估,利用Ansys软件建立了纵肋对接焊缝处的疲劳裂纹有限元模型,采用相互作用积分与有限元相结合的方法得到的裂纹前缘应力强度因子来对研究对象进行分析。结果表明:纵肋对接焊缝处疲劳裂纹的扩展过程中Ⅰ型应力强度因子KⅠ与等效应力强度因子Keff之间数值差距很小,Ⅰ型(张开型)开裂模式在扩展过程中占主导地位;Ⅰ型应力强度因子KⅠ随着裂纹扩展尺寸的增加一直处于增大的趋势,由于应力强度因子是裂纹扩展速率的主要参量,疲劳裂纹扩展速率随着裂纹扩展的进行而逐渐增大;通过对纵肋底板栓接钢板加固措施的理论分析,该加固方法能够大幅改善纵肋对接焊缝疲劳裂纹前缘的应力强度因子,使疲劳裂纹的扩展得到有效控制。     

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。     

滨州黄河公路大桥桥面铺装设计与施工

将桥面板、横隔板、直腹板和沥青混合料铺装层作为统一的力学分析模型,采用三维有限元法对桥面铺装的铺装层内部拉应力、层间剪应力以及其表面的最大竖向位移进行计算,分析滨州黄河公路大桥桥面铺装体系的力学特性和应力变化规律,模型分析结果表明:防水结合层对于桥面铺装最为重要,在沥青混合料中加入增强纤维能显著增加结构的疲劳寿命,并对疲劳寿命最长的组合提出了建议。     

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。     

钢桥面板纵肋顶板焊缝疲劳裂纹扩展的关键影响因素

正交异性钢桥面板疲劳问题突出，纵肋与顶板焊缝处是其关键疲劳易损部位，研究该部位疲劳裂纹的扩展过程并确定关键影响因素及其效应，有助于深刻理解其疲劳损伤机理。建立正交异性钢桥面板疲劳试验节段模型的有限元分析模型，将纵肋与顶板焊缝焊根处的疲劳裂纹近似为半椭圆形裂纹，基于断裂力学实现其扩展全过程的三维数值模拟。在此基础上研究初始裂纹的纵向位置和初始裂纹形状对疲劳裂纹扩展过程的影响，阐明扩展过程中的疲劳裂纹的形状变化，以及疲劳裂纹关键部位应力强度因子幅值的变化规律。研究表明：对于典型的正交异性钢桥面板纵肋与顶板焊缝，在纵向一段范围内，初始裂纹的纵向位置对裂纹扩展的影响不大；初始裂纹形状对裂纹扩展的影响主要体现在裂纹扩展的初始阶段，经过一段时间的扩展之后，不同形状的初始裂纹将演变为相对稳定的形状；持续一段时间后，裂纹将逐渐变得较为扁长；疲劳裂纹在深度方向上扩展超过约顶板厚度一半时，最深点的扩展速率将会减慢；深度相同的裂纹，形状越扁长时越倾向于向深度方向扩展，越不扁长时越倾向于向长度方向扩展。     

正交异性钢桥面铺装层表面裂缝应力强度因子分析

首先建立了正交异性钢桥面系三维断裂力学有限元模型,计算并对比了开裂铺装层与完好铺装层表面最大拉应变值,结果发现铺装层开裂后会使表面拉应变值减小,表明铺装层表面最大拉应变不适合作为带裂缝铺装层的设计指标,因为铺装层的疲劳破坏是由裂缝前沿的奇异应力场强度,即应力强度因子的大小所决定;接着计算了铺装层表面纵向裂缝和横向裂缝的应力强度因子值,分析了应力强度因子随荷载作用位置变化的规律,确定了轴载作用的最不利荷位。     

钢-混组合连续梁桥成桥后混凝土收缩徐变效应影响分析

钢-混组合连续梁桥的钢梁和桥面板通过剪力钉连接,混凝土桥面板的收缩徐变变形会受到钢梁的约束,继而引起桥面板和钢梁应力发生重分布。以某市区快速路环线工程钢-混组合连续梁桥为分析对象,研究发现混凝土收缩徐变对组合连续梁桥成桥后的线形和应力均产生一定不利影响,环境年平均相对湿度变化对组合连续梁桥线形和钢梁应力影响较小,相对湿度增加对桥面板受力有利。     

3种钢桥细节基于断裂力学方法的裂纹扩展研究

选取栓焊钢桥3种典型细节(单面盖板搭接节点、不承载角焊缝节点、摩擦型高强螺栓连接节点),用FRANC2D/L软件对这3种细节的裂纹扩展进行模拟分析,给出3种细节在单边裂纹和双边裂纹模式下的几何形状因子计算公式,并得到这3种细节裂纹扩展过程中应力强度因子与裂纹长度的关系,其中,对于单面盖板搭接节点:双边裂纹的KI值要比单边裂纹的KI值略大一些;对于不承载角焊缝节点:单边裂纹的KI值要比双边裂纹的KI值大一些;对于摩擦型高强螺栓连接节点:单边裂纹和双边裂纹的KI值几本相同。研究的结果可直接用于这3种钢桥细节的疲劳寿命预测。     

带大U肋的轻型组合桥面板基本力学性能

为综合解决正交异性钢桥面板疲劳开裂和铺装层易损的难题,提出了由正交异性钢桥面板与薄层超高韧性混凝土STC组合而成的轻型组合桥面板结构。由于STC层显著提高了桥面板的刚度,因此可对结构进行优化。在带U肋轻型组合桥面板的基础上,提出了带大U肋的轻型组合桥面板方案。将此方案拟应用于某大桥,与原结构相比,用钢量基本不变,而面板-U肋-隔板三者间焊缝总长度减少36%,不仅降低了施工难度,也减少了焊接缺陷,进一步解决了钢桥面板疲劳开裂的问题。采用4种不同的结构体系,建立了钢箱梁节段有限元模型,基于热点应力法,对体系的6个典型疲劳细节进行疲劳验算。结果表明：在大U肋轻型组合桥面板中,6个疲劳细节的应力水平与传统U肋轻型组合桥面板接近,降幅效果基本一致;同时,通过计算说明了大U肋轻型组合桥面板具有良好的横向受力性能,其栓钉也具有足够的抗疲劳性能。为探究此轻型组合桥面板STC层的纵向弯拉性能,开展了负弯矩条带足尺试验,确定大U肋轻型组合桥面板的STC顶层名义开裂应力为24.1 MPa,远超STC层计算最大拉应力10.92 MPa。以上分析初步表明：带大U肋的轻型组合桥面板有较好的疲劳和静力性能。     

空心板桥桥面铺装对主梁受力性能影响分析

采用有限元计算模型,对空心板桥桥面铺装层对主梁受力性能进行了仿真模拟分析,并与荷载试验的结果进行了对比。结果表明,不考虑桥面铺装参与受力时主梁的计算应力、挠度、荷载效应分别比考虑桥面铺装参与受力时分别大22%、30%、38%,考虑桥面铺装参与主梁受力更加接近荷载试验的实测结果,结构更偏于安全。     

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...