模数式桥梁伸缩缝疲劳寿命分析与结构优化

为提高伸缩缝结构的强度和疲劳寿命，提出了一种考虑移动车轮荷载的伸缩缝结构动力响应计算方法，该方法同时考虑了车轮的竖向与水平冲击荷载，这些冲击荷载作用在内力影响线分析得到的最不利作用点上。在动力分析基础上，采用包含有效缺口应力、雨流计数和线性累计损伤理论的结构疲劳寿命分析方法，评估了模数式伸缩缝的疲劳寿命。针对伸缩缝结构强度与疲劳寿命的不足，依次提出了4种结构优化方法：①优化焊趾结构，减小应力集中。②增设单中梁支撑肋板，提高局部抗弯刚度。③增设双中梁支撑肋板，均匀提高抗弯刚度。④增设带横向连接的双中梁支撑肋板，同时提高局部抗弯和抗扭刚度。研究结果表明：中梁与横梁的连接焊缝和中梁跨中是典型的双缝模数式伸缩缝的易损位置。中梁与横梁的连接焊缝上的最大Mises应力超过了Q345级钢材的屈服应力，疲劳寿命远小于中国桥梁规范要求的200万次。优化焊趾结构无法满足强度要求；增设单中梁或双中梁支撑肋板能够能使结构满足强度要求，但无法达到规范要求的疲劳寿命；增设带横向连接的双中梁支撑肋板，可以达到强度和疲劳寿命要求。     

GQFGJX改进型模数式桥梁伸缩装置疲劳寿命分析

为了分析GQFGJX改进型模数式桥梁伸缩装置的抗疲劳性能,采用某城市桥梁实测车辆荷载谱,基于Miner疲劳累计损伤理论估算GQFGJX-160改进型伸缩装置中梁"王"字钢、中梁支承钢梁、边梁"E"型钢、边梁固定板、边梁连接杆及锚固区混凝土的疲劳寿命,并在此基础上对支承梁间距、边梁固定板间距和锚固区混凝土强度等级3个因素进行参数化分析。结果表明:1)中梁"王"字钢的疲劳寿命为30. 3年,锚固区混凝土的疲劳寿命为7. 4年; 2)减小支承梁间距、减小固定板间距及增大锚固区混凝土强度等级可分别提高中梁钢、边梁固定板及锚固区混凝土的疲劳寿命,实际工程应用中可综合考虑3个影响因素的取值,以提高伸缩装置的使用寿命。     

车辆-模数式伸缩缝耦合振动与冲击荷载分析

为研究导致伸缩缝及其相邻路面损坏的车轮冲击荷载,以桥梁工程中常用的模数式伸缩缝为例,提出一种车辆-桥梁-模数式伸缩缝耦合振动的分析方法。该方法通过分布式弹簧阻尼单元模拟车轮在伸缩缝上的脱空情况;采用等效悬臂或两侧支撑梁模型,考虑脱空段轮胎面的支撑作用,通过车辆-桥梁-伸缩缝耦合振动的迭代算法,实现模数式伸缩缝上的车轮动力荷载的准确模拟,并对载重汽车通过双缝模数式伸缩缝进行实例分析。研究结果表明：①由于伸缩缝结构和车轮位置的变动,很难保证车辆振动的对称性,因此需要采用三维有限元方法分析车轮冲击荷载;②伸缩缝空隙处轮胎面的支撑有助于减小车轮冲击荷载,该支撑刚度与胎面预拉应力密切相关,胎面预拉应力越大,支撑刚度越大,轮载冲击系数越小;③车辆不对称振动导致左右轮冲击系数不同,模数式伸缩缝的中梁跨中冲击系数最大;④模数式伸缩缝上的轮载冲击系数计算值可能超过中国伸缩缝设计指南规定值,该方法可用于确定模数式伸缩缝的最大容许间隙,使车轮冲击荷载小于设计值,以保障伸缩缝的安全服役。     

某大桥模数式伸缩缝病害机理探讨

伸缩缝是桥梁构造的重要组成部分,桥梁伸缩缝一旦损坏,将对行车安全和桥梁结构寿命产生重要的影响。介绍了某大桥模数式伸缩缝纵、横梁断裂病害情况的调查,着重从伸缩缝材质、几何截面尺寸和受力荷载等技术标准方面对病害原因进行了计算分析和探讨,可为桥梁建设和养护管理提供参考。     

新型UHPC—大纵肋波折板正交异性桥面板疲劳性能研究

新型UHPC—大纵肋波折板正交异性桥面板取消了顶板与纵肋焊缝,减少了横隔板与纵肋焊缝,为改善正交异性钢桥面板控制部位的疲劳性能提供了一个有效新途径。然而,由于波折板与横隔板保留横向焊缝,其疲劳风险仍然可能存在,故针对纵肋与横隔板位置的关键疲劳细节,采用数值分析并结合热点应力法对各参数影响下的轮载应力幅和疲劳寿命进行评估验证。结果表明,新型组合桥面板的大纵肋波折钢板及横隔板的疲劳寿命主要受弧形切口顶应力幅控制,施工时应加强切口打磨质量,防止疲劳开裂。另外,UHPC板厚增大、横隔板间距减小以及横隔板厚度加大时,各疲劳细节应力幅均有减小趋势,但加大纵肋高度或填充混凝土补强纵肋后,其各疲劳细节应力幅增减趋势并不一致。通过合理参数设计可使得各疲劳细节应力幅趋势均匀,获得优异的抗疲劳性能。     

大跨径悬索桥钢梁疲劳设计研究

大跨径悬索桥钢梁疲劳已逐渐成为钢桥主要病害之一,通过对疲劳与断裂的分析,使设计者对清楚了解疲劳寿命的主要组成部分。由于断裂力学在裂纹萌生阶段的分析理论仍不成熟,钢桥设计仍采用．S-N曲线和Miner线性法则进行无限寿命设计和安全寿命设计。新版国内钢结构桥梁设计规范尚未颁布,分别采用BS5400、AASHTO、Euroeode3及《公路桥涵钢结构及土木结构设计规范》（JTJ025—86）对某大跨悬索桥钢梁不同结构部分进行详细介绍,使设计者了解不同归规范中的相关规定,并对大跨悬索桥钢梁疲劳设计提出有益探讨。     

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。     

钢桥面板纵肋与横隔板连接位置疲劳损伤特征

纵肋与横隔板连接是控制钢桥面板耐久性的关键构造细节,其在轮载作用下应力传递复杂,构造设计不当极易引起疲劳裂纹。目前常规式纵肋与横隔板连接在运营过程中可能发生的疲劳裂纹形式有横隔板弧形开孔裂纹、焊缝端部横隔板裂纹、焊缝端部纵肋水平裂纹或竖向裂纹,针对常规式连接的不足,设计上进一步提出内肋式和无缝式2种构造类型。采用有限元方法,以纵肋与横隔板连接可能出现裂纹的4类细节为对象,基于应力影响面分析,讨论了车辆轮载移动对各细节局部受力的影响,研究了常规式、内肋式和无缝式3种构造类型的疲劳损伤特征。结果表明：轮载作用下4类细节的局部效应非常显著,纵向影响区域约在3道横隔板之间,横向影响区域约在2个纵肋范围;考虑轮迹横向概率分布,各细节应力幅横向折减系数在0.94~0.97范围内。常规式连接弧形开孔细节应力幅最大,主要受面内变形控制,纵肋壁板水平细节次之,表现出明显的面外弯曲特性。与常规式连接相比,内肋式连接纵肋壁板水平细节和竖向细节最大应力幅分别降低28%和29%,减缓了纵肋在焊缝端部的应力集中程度。无缝式连接可能的疲劳破坏形式减少为横隔板焊趾开裂和纵肋壁板焊趾开裂2类,分析发现这2类细节均主要处于受压状态。常规式连接疲劳寿命预估为41.2年,纵肋壁板出现水平裂纹导致疲劳破坏的可能性较大;内肋式连接疲劳寿命由横隔板弧形开孔细节控制,较常规式连接提高58%;无缝式连接疲劳寿命预估为85.3年,较常规式和内肋式连接分别提高107%和31%,且两细节寿命相近,从全寿命设计角度考虑该构造更为合理。     

某桥正交异性钢桥面板结构受力分析

某桥主梁采用正交异性钢桥面板结构,为研究在轮载作用下,该桥正交异性钢桥面板受力和抗疲劳性能是否满足要求,建立该桥正交异性钢桥面板局部模型,计算轮载作用下其挠度、曲率半径和应力,并结合规范估算构造细节的疲劳强度。结果表明,在轮载作用下,桥面板主要变形区域较小,最大肋间相对挠度为0.28mm,满足限值要求,但最小曲率半径不满足规范规定;在纵向U肋、横隔板与桥面板连接处局部出现较明显的应力集中现象,且横向正应力普遍大于纵向正应力,但应力未超过限值;疲劳寿命最小的连接细节为纵肋与横梁的连接部位和横梁腹板开孔部位,应力幅值分别达77.4 MPa和127.9MPa,疲劳寿命分别为1.8×106和3.4×105次,远小于规范要求;该桥需要通过改变构造以及设计合理的桥面铺装来改善结构受力情况。     

公路钢桥精细化抗疲劳设计方法及其应用

提出公路钢桥细节精细化抗疲劳设计方法,通过整体结构活载分析确定全桥疲劳关键部位,综合交通量调查及国外相关规范选取等效疲劳车进行移动荷载时程分析,确定关键部位构件的内力幅,建立关键部位局部分析模型进行热点应力幅分析,然后根据特定类型细节构造的S～N曲线计算其疲劳寿命,最后结合设计年限内交通量状况对结构抗疲劳能力进行评估.天津海河国泰桥抗疲劳设计评定的算例分析表明,本方法思路清晰,计算简单,便于工程设计人员掌握;参考不同的国外规范进行设计,其疲劳安全性相差不大,AASHTO标准略为保守.     

中外桥梁设计规范汽车荷载比较

桥梁结构在其寿命周期内所经历的最主要的活载是汽车荷载。近几十年经济的快速增长,使得交通状况发生了显著的变化,交通量、车辆载重量等均有显著的提高;国内外经济交流的愈趋频繁,对于桥梁设计者而言,有必要了解各国的规范。为此针对D60、BS5400、AASHTO、Eurocode等规范,通过车道划分、荷载标准值、折减系数、冲击系数、布载方式等方面对汽车荷载进行了分析比较。发现在跨径小于200m时,BS5400规范的荷载值最高;在80m跨径以下D60规范的荷载值最低,Eurocode在80m到200m跨径最小;当将荷载标准值外推至200m跨径以上时,D60最高,Eurocode最低。     

60 m钢板组合梁桥钢梁施工稳定性分析

钢板组合连续梁桥因自重轻、截面较薄，在施工过程中受外荷载影响存在整体失稳和局部屈曲风险，影响桥梁施工安全。以交通部钢板组合梁桥60 m跨径进行参数分析，研究其施工阶段整体及局部稳定性。同时，对比分析了不同跨径、高跨比和横梁间距下稳定性变化规律。结果表明：（1）随着节段跨径增大，钢梁稳定系数下降，跨径每增大5 m，稳定性降低40%左右，40 m跨径时处于规范限值临界状态；（2）相同跨径下，钢梁稳定性随着梁高增大而减小，梁高超过3.5 m时，40 m跨径单梁稳定系数低于规范临界限值，结构稳定性较差；（3）横梁间距超过10 m时，缩短横梁间距可以提高结构稳定性，间距小于10 m时改变横梁间距对结构稳定性提升不大。     

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。     

坝陵河大桥钢桁加劲梁主横桁架焊接整体节点疲劳试验

贵州坝陵河大桥为主跨1088 m的单跨简支钢桁加劲梁悬索桥,钢桁加劲梁的主横桁架与主桁架上弦杆之间采用焊接整体节点连接.为研究该焊接整体节点的疲劳性能,进行了足尺模型疲劳试验.根据该桥设计交通量,采用BS 5400规范中的标准疲劳车,按损伤等效原则,并考虑多车效应及缩尺比例,推算了试验疲劳荷载.试验结果表明,经过200万次的循环加载后,节点模型未出现任何疲劳裂纹,应力状态稳定,结构疲劳性能满足设计要求.该焊接整体节点形式对我国今后大跨钢桁梁桥类似节点的设计和研究有重要参考意义.     

大跨径双层悬索桥钢桁梁整体焊接节点疲劳分析与试验

为了给大跨径钢桁梁悬索桥抗疲劳设计提供依据,针对杨泗港长江大桥钢桁梁采用的整体焊接节点,开展了多轴疲劳荷载作用下整体焊接节点的有限元疲劳分析和试验研究。首先通过建立全桥有限元模型,基于英国BS 5400规范和Miner准则,获得了在标准疲劳车作用下全桥最不利整体节点及其各杆件200万次等效疲劳轴力幅;其次建立最不利整体节点空间精细化模型,通过对各轴向杆件施加200万次等效疲劳轴力幅,进行了多轴荷载下整体节点的疲劳性能分析;最后基于相似理论,设计了1∶6的整体焊接节点缩尺模型,进行多轴荷载下的疲劳试验研究。结果表明:位于距主塔297m距离的F34节点为疲劳最不利下弦杆整体节点;F34节点最大Von-Mises应力在78.8~130.6 MPa,小于设计规范的疲劳强度;200万次的模型疲劳加载试验过程中,未发现任何疲劳裂纹产生,各测点的应力值与理论值误差小于7.8%;杨泗港长江大桥钢桁梁整体焊接节点疲劳性能满足设计要求,研究成果对大跨径双层悬索桥抗疲劳设计具有直接的指导作用。     

SX2190驱动前桥疲劳寿命的改进提高

对SX2190驱动前桥进行了系列疲劳寿命试验,探讨了焊缝、凸缘和螺栓对前桥疲劳寿命的影响,试验表明:凸缘和螺栓的结构、焊接质量及抛丸强化对前桥疲劳寿命有较大影响,通过对凸缘结构改进以及销子孔上移降低螺栓拉伸应力,并采取桥壳整体抛丸强化等措施显著提高桥壳的疲劳寿命。     

正交异性钢桥面板足尺疲劳试验

以某大跨径斜拉桥采用的正交异性钢桥面板为工程背景,进行钢桥面板疲劳性能试验研究,足尺疲劳试验循环次数累积达到1 020万次.试验结果表明:加劲肋与盖板连接部位出现了纵向疲劳裂纹;加劲肋与横隔板连接的焊缝端部出现了在焊趾处萌生并沿加劲肋腹板扩展的疲劳裂纹;受焊接残余应力影响,处于疲劳荷载压应力区的腹板与横隔板连接焊缝端部也萌生了疲劳裂纹;横隔板挖孔部位无疲劳裂纹;若以测点应力发生变化为疲劳失效判据,则加劲肋与横隔板连接端部的疲劳细节高于AASHTO中D类和Eurocode的63类细节等级,加劲肋与盖板连接的疲劳细节高于AASHTO中D类和Eurocode的71类细节等级;若以出现疲劳裂纹为疲劳失效判据,则其疲劳细节高于AASHTO规范中D类和Eurocode的80类细节等级.     

浮吊法安装钢箱系杆拱桥施工要点

太和三桥主桥采用单跨下承式钢管混凝土系杆拱结构,跨径布置为152m。主梁由端横梁、主纵梁、横梁、小纵梁及预制混凝土桥面板组成。主纵梁为箱型截面全焊接结构,截面尺寸为1.6×2m;横梁与小纵梁为工字形截面,主纵梁、横梁及小纵梁均采用焊接连接。主拱跨度为151m,拱轴线为悬链线,系数为1.5,矢跨比1/4。主拱截面为哑铃型结构,拱肋钢管直径1200mm,中心距1.6m,全断面高3.0m。风撑采用桁架式结构,全桥共设置5道风撑。吊杆间距为7m。选用吊杆索体采用PEJ15B-17环氧喷涂无粘结钢绞线成品索,锚具采用GJ15-17型锚具。此前已经建成的此类桥梁中跨度最大的是法国高速铁路地中海Avignon Sud钢箱系杆拱桥,主跨为124m。太和三桥跨越沙颍河常年通航,施工的难度大及安全隐患多。本文对该桥的主桥上部安装施工过程进行了详细的介绍为相似桥梁的建设提供了宝贵经验。     

斜拉桥钢箱梁横隔板U肋槽口整改方案研究

针对某斜拉桥钢箱梁纵向U肋与横隔板槽口两边间隙不一的问题,根据U肋槽口间隙焊缝间隙的大小制订3种处治方案;考虑到槽口改变对近处轮载应力影响较大,利用ABAQUS建立空间实体有限元模型,分析了在轮载效应下3种处治方案的弧形切口位置处及横隔板切割处的应力分布状况。结果表明,按处治方案进行槽口整改,对整改区域附近横隔板轮载应力的影响稍大,且使主拉应力有所减少(减少约10%),对稍远处轮载应力的影响较小(小于1%),对疲劳寿命的影响可忽略不计;横隔板整改切割线处的应力水平较低(小于10 MPa),且垂直于切割线方向的正应力大部分为压应力,该处焊缝的疲劳强度满足规范要求。     

公轨两用钢桁桥轨道横梁与整体节点连接头的疲劳荷载

为评定公轨两用钢桁桥下层轨道横梁与焊接整体节点连接头在交通荷载作用下的疲劳损伤累积，对该细节在桥梁设计寿命内车辆荷载所产生的疲劳荷栽谱的计算方法进行了研究。在对桥梁的车辆荷载进行分析的基础上，参照各国相关规范，建立了代表桥梁设计寿命内真实运营状况的疲劳荷载模型，并通过全桥三雏有限元分析模拟计算该连接细节所承受的荷载历程。依据疲劳损伤累积理论，确定了公轨两用钢桁桥轨道横梁与整体节点连接头验证性疲劳试验的试验荷栽。结果表明：该连接细节的疲劳损伤荷载基本不受上层汽车的影响，主要取决于轻轨，可以通过直接将轻轨计算结果乘以一定的提高系数得出。