钢桥面板横隔板弧形开孔处疲劳裂纹成因分析及构造措施

钢桥面板横隔板弧形开孔处是疲劳裂纹的高发位置。为了分析该位置疲劳裂纹的成因,首先根据关注细节的应力影响线,分析了车轮面内和面外荷载对不同细节应力幅产生的效应。结合火焰切割边缘残余应力的分布,对弧形开孔边缘主压应力主导的状态仍产生疲劳裂纹的现象进行了解释。然后根据线性累计损伤准则,说明了超载对弧形开孔边缘疲劳细节的损伤度的影响。最后讨论了弧形开孔位置焊缝的构造形式和加工制造工艺。优良的焊缝质量和合理的构造形式将会降低应力集中效应,限制超载是控制疲劳裂纹发生的关键。     

高铁钢桁拱的桥面疲劳细节与受力特性研究

研究目的:为研究高速铁路大跨连续钢桁梁柔性拱桥正交异性钢桥面板疲劳细节的局部受力,本文以银西高铁银川机场黄河特大桥为背景,建立横梁弧形切口以及U肋与顶板连接焊缝两处疲劳细节的精细化有限元模型,分析列车移动荷载作用下疲劳细节处的应力分布,并对比分析不同弧形切口形状和横梁腹板厚度对疲劳细节局部应力的影响规律。研究结论:(1)正交异性钢桥面的U肋-横梁位置的弧形切口处在移动活载下容易出现应力集中,且弧形切口起始处与弧形切口自由边所对应的最不利活载位置不同,在轨枕横向两侧端部下方的横梁弧形切口起始处以及弧形切口自由边容易出现最大主应力;(2)横梁板厚对弧形切口自由边的主压应力影响最大,且随板厚增大该处主压应力减小,对本工程当板厚由16 mm增加至20 mm时,主压应力减小幅度超过20%;(3)不同弧形切口形状对疲劳细节的局部应力也有较大影响,与原设计切口形状相比,日本设计规范所推荐切口形状的主应力极值最小;(4)为提高正交异性钢桥面板的疲劳特性,对U肋-横梁疲劳细节进行局部构造优化是必要的,研究成果对同类型结构的优化设计具有理论指导意义。     

切口型式对 正交异性钢桥面板应力特性的影响

正交异性钢桥面板横隔板切口处疲劳问题突出,裂纹通常萌生于切口自由边以及切口起始处纵肋-横隔板连接焊缝。为研究不同切口型式对疲劳细节应力的影响,建立有限元分析模型,获得细节在轮载下的应力响应。研究结果表明:切口自由边细节是面内应力主导,且较大的切口半径有利于降低应力水平;纵肋腹板在平行于焊缝方向的外侧应力最大,属于纵肋-横隔板连接焊缝中最不利的细节,因此该连接处的裂纹通常会萌生于焊缝末端的纵肋腹板外侧,并沿垂直于焊缝的方向扩展;对于纵肋-横隔板连接焊缝的横隔板细节,当切口型式为相切过渡的方式时,面外应力远小于垂直过渡的方式,而面内应力相反;采用Eurocode 3中推荐的切口型式是合适的。     

大跨度铁路钢箱梁斜拉桥正交异性桥面疲劳试验研究

正交异性桥面钢箱梁具有良好的整体性能与抗风性能,在大跨度公路斜拉桥及悬索桥中应用广泛,但在大跨度铁路斜拉桥上应用极少。以国内首座大跨度铁路钢箱梁斜拉桥为背景,建立全桥杆系及局部箱梁有限元模型系统分析铁路正交异性桥面疲劳受力特性,基于应力等效原则优化设计出2U肋+2V肋的足尺疲劳试验模型,并实施560万次的疲劳加载试验。结果表明:钢箱梁正交异性桥面在列车荷载下以第二三体系受力为主,承受高周低幅疲劳作用;模型实测应力值同理论值相符良好,大部分测点在560万次疲劳试验中保持弹性受力状态,结构总体疲劳性能良好;U肋与横隔板连接处附近母材在150万次疲劳后发生开裂;V肋总体应力低于U肋,其疲劳性能优于U肋。     

正交异性钢桥面板节段模型疲劳性能试验研究

设计3个正交异性钢桥面板的节段模型,进行系统的静载试验和疲劳试验,研究不同构造对正交异性钢桥面板受力和疲劳性能的影响.结果表明:面板的厚度对U肋与面板连接焊缝构造的应力影响显著,建议正交异性钢桥面板的面板厚度取为14mm以上;横隔板的间距对横隔板与U肋焊缝交叉处的面外应力、横隔板的面外变形、中间U肋的竖向变形有直接的影响;弧形开孔处的应力随横隔板的厚度增加而降低;正交异性钢桥面板上由次应力引起的裂纹的扩展比较缓慢,不会直接影响整个桥面结构的承载能力;横隔板与U肋相交处上部留有过焊孔这一构造细节对正交异性钢桥面板的疲劳性能不利.     

客货共线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道疲劳寿命预测

针对客货共线铁路CRTSⅠ型板式无砟轨道的疲劳寿命问题,采用有限元软件,通过应力等效原理及列车运行速度确定了室内混凝土疲劳试验的加载值和加载频率;在各组合工况下对混凝土试件进行重复加载,分析了抗折强度和动弹性模量的关系,确定采用动弹性模量衰减幅值来评价混凝土疲劳寿命;将试验结果拟合为混凝土损伤曲线,并基于Palmgren-Miner疲劳累积伤损准则得到不同荷载作用下轨道板疲劳寿命预测值。结果表明:混凝土动弹性模量和抗折强度之间存在良好的相关性;荷载频率越低或应力水平越高,混凝土损伤发展速度越快;忽略其他荷载耦合作用时,客车荷载作用下轨道板的疲劳寿命约为货车荷载作用下的2倍,而客、货车荷载交替作用下无砟轨道的疲劳寿命则介于上述2种荷载作用之间。     

基于样本信息重构的小子样P-S-N曲线拟合方法

为了在小子样条件下拟合出精度较高的P-S-N曲线,本文提出基于样本信息重构并符合疲劳寿命等效原理的极大似然法和基于样本信息重构的最小二乘法。样本信息重构有效解决了在部分相邻的应力水平下样本的对数寿命标准差与对数应力水平不呈线性关系的问题,同时该方法考虑了各应力水平下样本数量效应对整体样本分布的影响,有效降低了部分应力水平下小样本与异常样本对疲劳寿命均值与标准差的影响,保证疲劳寿命的等效精度。最后通过应用疲劳试验数据对本文提出的2种方法与传统的极大似然法和最小二乘法进行对比分析,结果表明基于样本信息重构并符合疲劳寿命等效原理的极大似然法拟合的P-S-N曲线精度高且偏于安全。     

钢结构焊缝疲劳强度分析技术的最新进展

在平板焊接钢结构焊缝疲劳强度分析中,近年来国外主要发展起了等效结构应力法和表面外推热点应力法2种新方法.等效结构应力法考虑焊趾部位的结构应力集中效应,应用改进线性化法或节点力法分析结构应力,确保计算结果对有限单元类型、网格形状及尺寸的不敏感,从而有效区分不同焊接接头类型的焊趾结构应力集中情形;以结构应力为控制参数计算应力强度因子,在主要考虑焊趾缺口、结构板厚、载荷模式等因素影响基础上,基于断裂力学分析确定与焊缝疲劳寿命直接相关的应力参数,导出等效结构应力转化方程;基于上述应力计算和转化方法对焊缝疲劳试验结果数据进行处理,建立焊缝疲劳强度设计单一主S-N曲线,实现对钢结构焊缝的疲劳强度评定和寿命预测.通过比较分析可知,表面外推热点应力法适用于钢结构焊缝设计阶段的方案比较及方案优化;等效结构应力法较适合对钢结构焊缝最终设计方案进行更为精确的焊缝疲劳强度评定和寿命预测以及不能用表面外推热点应力法进行钢结构焊缝疲劳强度分析时.     

高速列车转向架构架结构的疲劳可靠性模型

为了准确评估高速列车转向架构架的疲劳可靠性,通过转向架构架相同材料焊缝结构的多级小样本疲劳试验数据,得到指定寿命下疲劳强度分布的概率密度函数;采用双参数雨流计数法,根据实测构架结构的复杂随机应力—时间历程曲线编制构架的应力谱,再按照Miner准则和疲劳损伤等效原则计算对应的恒幅对称循环等效应力,并由此拟合得到高速列车服役寿命下等效应力分布的概率密度函数;根据得到的构架疲劳强度分布函数和等效应力分布函数,以等效应力小于疲劳强度为疲劳破坏判据,建立高速列车转向架构架的等效应力—疲劳强度可靠性模型。以某型高速列车转向架构架横侧梁连接处为对象,基于焊接结构疲劳试验和长期跟踪测试试验数据,对模型进行验证。结果表明:模型可用于评估构架的疲劳可靠性,可为焊接构架结构的进一步优化及全寿命周期管理提供依据;该型高速列车转向架的构架结构在1 200万km总运行里程的服役寿命下,其可靠度达99.36%,安全系数较高。     

考虑变应力幅非线性累计损伤的高速铁路钢桁拱桥疲劳分析

为分析钢结构桥梁在变应力幅循环条件下的疲劳寿命,基于非线性累计损伤方程,建立考虑变应力幅的疲劳损伤指标计算公式。以某高速铁路钢桁架拱桥为例,对比分析线性方法、等效应力幅法、递推法以及本文方法求解得到的疲劳寿命。研究结果表明:线性模型的计算结果偏小,等效应力幅法的计算误差随应力幅差值的增大而增大,递推法的计算精度高但运算量太大,本文提出的方法不仅能客观地反应疲劳损伤的过程,计算量小,而且计算结果与递推法的计算结果基本相同。对于钢桁架拱桥,竖腹杆的疲劳寿命最低,且同一根杆件的不同位置疲劳损伤相差往往很大,以竖腹杆为例,该类杆的下端、靠铁轨处的疲劳寿命最低,容易出现疲劳问题,在构造设计、施工质量方面应更加予以关注。     

焊接缺陷对动车组铝合金车体疲劳寿命影响研究

由铝合金型材焊接而成的高速列车车体,如考虑焊缝处初始焊接缺陷的存在,将造成焊缝质量等级的不同,进而造成其抗疲劳能力产生差异。为寻求在设计阶段能较准确地预测含初始焊接缺陷的动车组车体疲劳寿命的评估方法,通过试验获得3种含初始焊接缺陷试件的疲劳寿命数据,并基于美国ASME(2007)标准中的结构应力法计算出含不同焊接缺陷试件疲劳寿命的"等效初始裂纹";建立包括焊缝在内的动车组车体有限元模型,并依据BS EN12663-1:2010标准的加载方式,基于等效结构应力法和Miner线性累积疲劳损伤理论,预测车体关键焊缝的疲劳寿命;根据反求出来的等效裂纹对模型进行修正,研究初始焊接缺陷的存在对车体疲劳寿命的影响。     

公铁同层大挑臂钢箱梁正交异性桥面板疲劳特性研究

为深化认识大挑臂钢箱梁正交异性钢桥面板的疲劳问题，以世界首座公铁同层大挑臂钢箱梁斜拉桥——金海大桥为背景，采用ANSYS软件建立钢箱梁节段精细化有限元模型，分析了多种工况下箱梁在有挑臂和无挑臂处顶板、U肋及横隔板关键疲劳细节的应力状态、应力影响面等，并对比分析了箱梁疲劳特性在横桥向的差异。结果表明，大挑臂钢箱梁的顶板-U肋细节应力影响面长宽约为2个U肋和2道横隔板，与普通闭口钢箱梁无异，而横隔板-U肋细节应力影响面长宽约为7个U肋和3道横隔板，远超普通闭口钢箱梁同类细节应力影响范围；箱梁在不同区域的部分同类疲劳细节受力状态存在明显差异，沿纵桥向，分别在有挑臂和无挑臂处的横隔板开孔底边细节应力差距高达85.4%;沿横桥向，靠近箱梁中心线的内侧车道为最不利加载车道，该车道内横隔板侧边开孔细节最不利应力幅可高出其他车道57%;箱梁各疲劳细节对轮载横向分布位置十分敏感，其沿横桥向疲劳特性差异主要由横梁整体弯剪变形引起，同时，邻车道疲劳荷载对横隔板侧边开孔细节应力幅影响超过38%。因此，多车效应不宜忽略，根据重车车流量统计推算，本桥多车效应系数建议取值1.05。     

转向架构架用16MnDR钢缺口疲劳行为研究

轨道交通车辆运营状态下,转向架构架主要受到来自轮轨的疲劳冲击,其主承载部位的受力多为三向应力状态,为了研究转向架构架焊接接头的疲劳行为,探讨疲劳失效机理,准确还原承载区域的应力状态是关键。文章针对转向架构架用16MnDR钢,设计并制备了应力集中系数为2.7的片状缺口疲劳样品,以等效构架焊接接头的应力状态;通过对比标准疲劳样品和缺口疲劳样品的疲劳试验结果,研究了缺口效应对16MnDR钢疲劳寿命的影响,讨论了局部应力集中对材料疲劳裂纹萌生和疲劳裂纹扩展的影响机理。结果表明：在相同名义应力下,缺口疲劳样品的疲劳寿命显著低于标准疲劳样品的疲劳寿命,缺口疲劳样品的疲劳裂纹呈多裂纹起始;在相同名义应力下,缺口疲劳样品的疲劳裂纹起始寿命显著低于标准疲劳样品的疲劳裂纹起始寿命,而疲劳裂纹扩展寿命与标准疲劳样品的疲劳裂纹扩展寿命相当,导致缺口疲劳样品的疲劳寿命低于标准疲劳样品的疲劳寿命。     

基于模态应力的转向架关键悬挂件振动疲劳研究

通过建立构架关键悬挂件振动疲劳分析模型,采用模态叠加法,获得基于模态应力的构架关键悬挂件应力功率谱,并推导出结构应力的概率分布函数,并以IEC 61373标准谱和实测加速度谱为激励,利用线性疲劳损伤准则获得结构振动疲劳寿命。研究结果表明:关键悬挂件结构在IEC 61373三向加速度各激励5 h后,疲劳累积损伤值最大为1.58;在实测武广线加速度激励下,疲劳寿命为297万km;基于模态应力的分析方法能够有效地考虑激励频率与结构自身频率的振动关系,进而获得更准确的疲劳寿命。     

横梁腹板切口形状对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响研究

在正交异性钢桥面板中,横梁腹板与纵肋连接部位及横梁腹板切口边缘处较容易发生疲劳开裂,为了弄清横梁腹板切口形状对这两个构造细节疲劳性能的影响规律,采用有限单元法,通过在3种作用下采用不同切口形状的正交异性板各考察点主拉应力或面外应力比率的对比研究,得出以下结论:(1)在剪切作用下,切口形状对纵肋与横梁连接部位的应力影响不大,切口边缘半径对横梁切口边缘拉应力影响很大;(2)在支撑作用下,切口尺寸越大,纵肋与横梁连接部位的应力越大;(3)在面外作用下,切口尺寸越大,横梁对纵肋的面外转动变形约束越小,面外应力比率越小。     

转向架构架焊缝疲劳寿命评估的等效热点应力法

等效热点应力法是焊接结构疲劳可靠性分析的一种新算法,已经在小试件上获得了成功应用,在轨道车辆转向架构架这种大型焊接结构上还未见应用,文中将该算法应用于高速转向架构架上。通过建立某高速转向架构架的精细有限元模型,采用等效热点应力法计算转向架构架上若干关键焊缝的节点应力以及疲劳寿命,并与厚度方向积分热点应力法作比较。等效热点应力法具有计算简单,计算结果准确,效率高的特点,能够很好的应用于转向架构架这种大型焊接结构的疲劳寿命评估和结构设计。     

单箱双室波形钢腹板连续刚构桥横隔板间距研究

为有效控制单箱双室波形钢腹板连续刚构桥的畸变和翘曲效应,通过建立空间有限元模型,研究横隔板间距和数量对偏心荷载作用下箱梁翘曲和畸变纵向正应力的影响规律,并对比分析单箱双室和单箱单室箱形结构在不同横隔板间距下畸变和翘曲纵向正应力的变化规律。计算结果表明:布置横隔板可以有效减少翘曲和畸变纵向正应力;与单箱双室截面相比,单箱单室截面翘曲正应力更大,设计时应减小横隔板间距。计算了不同高跨比和高宽比连续刚构桥的合理横隔板间距,并拟合出其经验公式。将该公式得到的横隔板间距与实际桥梁和现有经验公式得到的横隔板间距进行比较,验证了其精确性。     

地铁车辆转向架天线梁模态与疲劳寿命分析

国内某地铁车辆转向架的ATP天线梁频繁出现断裂,为探寻天线梁断裂的原因,对其进行现场试验分析。依据实测的天线梁约束模态及有限元软件计算的整备状态下模态结果,分析天线梁实测动应力频谱的主频及振型,并利用IIW-1823《焊接接头与部件的疲劳设计标准》计算天线梁上测点的等效应力范围和疲劳寿命。结果表明,天线梁的1阶垂弯、1阶横弯及与构架八字变形的耦合振型(75 Hz)均对天线梁的疲劳寿命造成较大的影响;在随机振动疲劳分析下,天线梁上大部分测点的等效应力都已经超过焊缝的疲劳极限80 MPa,尤其是位于天线梁横梁中部支座上的T4测点,等效应力为214.4 MPa,已经极大地超过焊缝的疲劳极限,而且疲劳寿命也远远达不到设计要求。     

疲劳载荷作用下无砟轨道混凝土轨道板碳化行为的数值模拟

疲劳荷载会加速高速铁路无砟轨道混凝土轨道板的碳化进程,给轨道板的安全服役带来不利影响。基于应力水平-疲劳寿命曲线（S-N曲线）,构建以疲劳荷载作用次数为自变量的二氧化碳扩散系数影响函数,修正Saetta碳化模型的扩散项,以考虑高速列车疲劳荷载对混凝土碳化行为的影响;进而,建立疲劳荷载作用下轨道板混凝土碳化模型,根据实测的位移时程数据,进行有限元模拟计算,获得轨道板关键区域的荷载响应和碳化深度,分析疲劳荷载作用次数、应力水平、环境湿度等因素对轨道板碳化行为的影响。结果表明,疲劳荷载在轨道板使用寿命前期对碳化深度的影响可忽略不计,但对轨道板使用寿命后期的碳化深度具有显著影响,与不考虑疲劳荷载效应相比,碳化深度增加了43.48%;湿度在0.45～0.75时,随着湿度增加,碳化深度逐步减小。所建立的模型和方法可为轨道板的耐久性设计提供理论依据。     

空心板设置横隔板对企口缝混凝土力学性能的影响分析

建立装配式预应力混凝土简支空心板桥的空间实体有限元计算模型,在对称荷载与偏载作用下,分别对无横隔板、端部设置横隔板、端部与跨中均设横隔板3种情况的空心板之间的企口缝混凝土受力状态进行分析,探讨设置横隔板对装配式预应力混凝土空心板桥企口缝混凝土的力学性能的影响,计算得出企口缝混凝土的应力分布。结果表明:设置横隔板后,企口缝混凝土的应力值变得均匀,企口缝混凝土的抗剪性能有所增强。所得结果对装配式预应力混凝土空心板桥设计有较大的参考价值。