钢桥面板U肋焊接残余应力影响因素分析

为了进行钢桥面板U肋焊接残余应力精确计算及影响因素定量分析,以星海湾跨海大桥钢桥面板U肋为研究对象,在ABAQUS有限元软件中,建立钢桥面板U肋局部模型,通过自编的Dflux子程序,进行双椭球热源的加载,模拟V型坡口焊的焊接过程,得到顶板与U肋板残余应力分布,从而研究顶板板厚与焊接坡口角度2种因素对U肋焊接残余应力的影响。结果表明:本文的分析方法得到的焊接残余应力计算结果与前人试验数据结果对比,两者吻合较好,本文分析方法有效;顶板与U肋板在靠近焊缝处都出现最大残余拉应力,且均超过材料的屈服极限;随着顶板板厚增大,顶板与U肋板的残余拉应力峰值增大;而随着坡口角度增大,顶板与U肋板的残余拉应力峰值则减小。     

新型镦边U肋与面板连接焊缝切口应力分析

正交异性钢桥面板焊接部位疲劳问题突出,为研究采用新型镦边U肋替代传统U肋,其与正交异性钢桥面板焊缝处的应力改善情况,以典型正交异性钢桥面板为研究对象,按照实际尺寸参数采用ANSYS有限元软件建立足尺节段模型进行分析。确定关注区域及最不利荷载加载位置,在此基础上,建立焊缝局部精细模型,采用切口应力法分析镦边U肋与面板焊缝和传统U肋与面板焊缝在焊趾及焊根部位的应力。结果表明:采用镦边U肋与传统U肋在U肋与面板焊缝处应力分布基本相似;相对于传统U肋焊缝,镦边U肋焊缝在面板焊趾、焊根和U肋焊趾处应力最大降幅分别为24.3%、43.8%、60.5%,镦边U肋可以较好地改善U肋与面板焊缝处的应力集中效应,有利于提高结构的抗疲劳性能。     

持荷状态下大尺度钢管拱肋拼接焊缝焊接残余应力分析

为研究持荷作用对大尺度钢管拱肋拼接焊缝残余应力的影响,以及大尺度焊缝焊接残余应力的分布规律,以主跨575 m的特大跨钢管混凝土拱桥——广西平南三桥为背景进行分析。开展持荷状态下拱肋拼接焊缝残余应力足尺模型试验与数值模拟,分析拱肋拼接焊缝试件轴向、环向焊接残余应力分布情况,并与非持荷状态试件进行对比。结果表明：持荷作用对钢管拱肋拼接焊缝焊接残余应力的影响较小,但管内节点处肋板的设置会对钢管拱肋拼接焊缝残余应力产生较大影响;拼接节点处的轴向焊接残余应力以拉应力为主,沿拱肋主管轴向先增大后减小,最终趋于稳定;拼接节点处的环向焊接残余应力沿主管环向拉-压交替分布,拉应力分布在离焊缝较近区域与肋板影响区域,压应力主要分布在肋板之间区域。     

钢箱梁横隔板-U肋交接处割焊残余应力分析

为研究钢箱梁正交异性桥面板横隔板与U肋交接处的残余应力分布规律,采用Abaqus有限元软件模拟横隔板的热切割和焊接过程,分析横隔板与U肋交接处热残余应力的分布特征,探讨切割速度和焊接速度对横隔板弧形切口处残余应力的影响。结果表明:横隔板弧形切口处产生切向残余拉应力,其值超过钢材屈服强度;焊接在横隔板与U肋焊接区局部范围引起沿焊缝方向的残余拉应力,且焊缝尾端的应力集中更为明显;弧形切口残余应力区宽度随切割速度的增加而减小,残余拉应力随焊接速度的增加而增大;选用较快的横隔板切割速度和较慢的焊接速度可减小弧形切口处残余应力分布宽度和应力值。     

钢桥面横隔板与U肋焊接处残余应力场分析

为了解正交异性钢桥面板横隔板与U肋焊接处残余应力分布特征,明确横隔板弧形切口疲劳开裂机理,采用热-结构耦合方法建立横隔板-U肋焊接连接的热弹塑性有限元模型,通过"生死单元"技术模拟焊缝的填充过程,得到焊接温度场与应力场,分析横隔板焊缝和弧形切口处残余应力的分布规律。结果表明:横隔板焊趾处纵向残余应力为拉应力,峰值为345 MPa,横向残余应力在焊缝开始位置和尾部区域为拉应力,在焊缝中间应力水平较低;横隔板弧形切口附近残余应力变化剧烈,且沿切口弧线长度和钢板厚度分布不均匀;从切口顶点到起弧点位置,残余应力从压应力变化为拉应力,起弧点处应力峰值为231 MPa;焊接引起的焊缝尾部高水平残余应力是导致横隔板弧形切口疲劳开裂的关键因素。     

钢桥面板纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹扩展三维模拟方法

为了深刻认识正交异性钢桥面板的疲劳特性,准确评估其疲劳抗力,对纵肋与顶板焊接细节进行了三维疲劳裂纹扩展模拟。提出了一种主要针对椭圆或半椭圆形疲劳裂纹的扩展模拟方法,采用相互作用积分法计算裂纹尖端处的应力强度因子K,作为三维裂纹模拟的基本参量。以青山长江公路大桥正交异性钢桥面板疲劳试验节段模型为研究对象,将纵肋与顶板焊接细节处的疲劳裂纹近似为单个半椭圆形裂纹,对其扩展过程进行三维模拟,通过试验结果验证了所提方法的有效性。在此基础上将初始裂纹分别设置于焊根和顶板焊趾,探讨了顶板厚度和U肋形式对于纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹扩展特性的影响问题。研究结果表明：所提出的方法能够准确模拟纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹的扩展过程,适用于其疲劳问题研究;增加顶板厚度能够有效改善纵肋与顶板焊接细节处的疲劳性能;相对于传统纵肋与顶板焊接细节而言,顶板与镦边U肋焊根和焊趾处的疲劳裂纹扩展特性和疲劳抗力没有显著差别,顶板与镦边U肋焊缝构造细节难以显著改善焊根和顶板焊趾处的疲劳性能;萌生于焊根并向顶板扩展的疲劳失效模式是控制传统纵肋与顶板焊接细节和顶板与镦边U肋焊缝构造细节疲劳性能的主导疲劳失效模式。     

正交异性钢桥面肋-板焊接残余应力的数值模拟

由于正交异性钢桥面U肋与顶板焊后残余应力分布复杂,采用解析方法无法求解,为此,采用有限元热-力耦合分析技术对其温度场和应力场进行数值模拟。利用ANSYS有限元软件建立顶板厚16mm、U肋厚8mm的正交异性桥面板双层焊缝模型。引入高温条件下Q345q钢的力学性能参数,考虑焊接电流、电压、焊接速度,对焊接过程进行数值模拟。通过控制热源移动加载,计算出合理的焊接温度场;利用热-力耦合分析技术,调用温度场计算结果,分析得到焊接残余应力场分布。计算结果表明:有限元数值模拟技术可以用于焊接结构残余应力分析;焊缝处不均匀加热与放热导致焊缝中部垂直焊缝方向及沿板厚方向存在较大残余应力,设计时应充分考虑残余应力对结构力学行为的影响。     

钢箱梁U肋嵌补段疲劳开裂机理与养护措施研究

某大型悬索桥为主跨1650 m的两跨连续钢箱梁悬索桥,加劲梁采用扁平流线型分离式双箱。近2年在正交异性板钢箱梁顶板U肋嵌补段发现焊缝开裂状况,为研究及处治该病害,采用大型有限元程序ANAYS进行局部仿真计算,分析焊缝开裂后的应力分布规律、影响范围。结果表明:重车轮压的疲劳荷载、施工焊接质量等是嵌补段焊缝开裂的主要原因;钢箱梁顶板U肋嵌补段焊缝开裂会对邻近结构抗力产生影响,U肋嵌补段开裂使相邻U肋嵌补段焊缝应力增加11.8%,使U肋与顶板之间焊缝主拉应力增加57%,使邻近位置的横隔板弧形缺口主拉应力增加6%。根据分析结果建议尽早处治焊缝开裂问题,短期养护措施推荐在低应力区打止裂孔和设置临时支撑架,长期养护措施建议刨去已开裂焊缝后补焊、嵌补段整体切割后补焊和改用高强度螺栓连接方式。     

钢桥面板疲劳裂纹耦合扩展机理的数值断裂力学模拟

为研究钢桥面板疲劳裂纹耦合扩展机理,建立焊接分析有限元模型,对纵肋-顶板连接细节、纵肋-横隔板连接细节的焊接全过程进行数值模拟,基于扩展有限元方法建立钢桥面板数值断裂力学模型,对疲劳敏感细节裂纹静、动态扩展行为进行分析。焊接过程分析结果表明:纵肋-顶板连接焊缝区域、纵肋-横隔板焊缝端部区域均存在较大的残余拉应力,峰值接近钢材屈服强度;横隔板挖孔边缘存在切向残余拉应力,峰值约为200 MPa。疲劳裂纹扩展行为分析结果表明:纵肋-顶板连接细节在车辆荷载单独作用下以受压为主,考虑残余应力场作用后细节处于拉-拉应力状态,疲劳裂纹为Ⅰ型主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹;车辆偏载作用下纵肋产生扭转变形,计入残余应力后纵肋-横隔板连接焊缝焊趾受拉开裂,萌生于纵肋焊趾、向纵肋腹板扩展的疲劳裂纹为Ⅰ型主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹,萌生于纵肋-横隔板连接焊缝横隔板侧焊趾和横隔板挖孔边缘的疲劳裂纹为Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹;纵肋对接细节的疲劳裂纹为Ⅰ型裂纹,车辆荷载作用下以受拉为主,位于纵肋底板弧形过渡区的裂纹相较于纵肋底板中间区域具备更强的扩展能力。     

混合梁斜拉桥锚拉板主焊缝焊接过程数值分析

为探索锚拉板结构焊缝的焊接温度场和残余应力分布规律,以赣江特大桥(主跨300m的双塔混合梁斜拉桥)为背景工程,采用ANSYS软件建立中跨主梁边腹板与锚拉板主板连接部分焊缝的有限元模型,基于热-结构耦合分析方法和生死单元技术,对焊缝焊接温度场和应力进行分析。结果表明:施焊过程中,熔池金属的温度超过了钢材熔点,熔池前方的温度梯度较陡,熔池后方的温度梯度较缓;施焊前焊缝区域应力水平低,施焊中熔池区域应力为0,临近熔池区域存在压应力、远离熔池区域存在拉应力,焊后冷却时,熔池区域存在拉应力,而其他位置存在压应力;焊后残余应力水平较高,最大残余应力接近钢材的屈服强度,焊缝区域受力状态不利,在设计施工与后期运营中应予以特别重视。     

钢桁梁桥整体节点焊接残余应力试验

为研究东江大桥整体节点焊接残余应力的大小及分布规律,采用与实桥相同的焊接工艺制作了实桥E16节点的1∶1足尺模型,用盲孔法对该节点模型各主要焊缝的残余应力大小与分布进行了测试。结果表明:对于整体节点而言,焊接过程会产生很大的残余应力,其最大值接近材料的屈服强度;在焊缝区域,沿焊缝垂线方向,纵向残余应力均呈压应力-拉应力-压应力交替分布,规律明显,在焊缝中心处为最大拉残余应力;在不等厚对接焊区域,厚板一侧的残余应力大于薄板一侧;打磨和钻螺栓孔可以对残余应力起到释放作用;研究结论可为制定消除整体节点焊接残余应力的措施提供依据。     

新型镦边纵肋与顶板焊接构造细节疲劳性能试验（双语出版）

为了提高正交异性钢桥面板纵肋与顶板焊接构造细节的疲劳性能,提出了一种新型镦边纵肋与顶板连接构造细节,该构造细节通过局部镦厚与顶板连接部位的纵肋腹板,增大连接焊缝截面尺寸和局部刚度,从而减小该焊缝连接部位的应力集中程度,以实现提高纵肋与顶板焊接构造细节的疲劳性能的目的。作为一种新型焊接构造细节,其实际疲劳破坏模式和疲劳抗力均有待研究确定,为验证这一新型构造细节在改善纵肋与顶板焊接构造细节疲劳性能方面的有效性并确定其实际疲劳破坏模式和疲劳抗力,设计2组共7个足尺节段模型进行疲劳试验,对新型镦边纵肋与顶板焊接构造细节和传统纵肋与顶板焊接构造细节进行对比试验和理论研究。研究结果表明：控制2类构造细节的主导疲劳破坏模式均为萌生于焊根、沿顶板开裂的疲劳破坏模式;该疲劳破坏模式下新型镦边纵肋与顶板焊接构造细节和传统纵肋与顶板焊接构造细节的疲劳性能基本一致,新型镦边纵肋与顶板焊接构造细节对于该疲劳破坏模式下的实际疲劳性能无明显的改善效果;切口应力法适用于该构造细节焊根的疲劳性能评估,从便于工程应用的角度考虑,距离顶板焊趾5 mm处的应力值亦可作为纵肋与顶板焊接细节疲劳性能评估的依据。     

公路斜拉桥焊接残余应力的减小与消除的技术策略

以重庆某大桥工程为背景,采用有限元分析软件ANSYS,研究钢箱梁正交异性板单元纵向U型肋板的焊接工艺对大跨度钢箱梁斜拉桥的焊接残余应力的影响。实践证明:需要保证温度场在焊接过程中的合理分布,首条焊缝与焊接温度场分布具有类似性,如果升温,此时将得到焊缝在焊接过程中稳定温度场的最高温度范围1 994～2 008℃,波动范围为0. 71%。焊接等效残余应力主要在焊缝区集中,最大等效应力为439 MPa;在焊接终止点和起始点附近,个别区域仅出现压应力,拉应力未出现。在实际生产中,总共要进行完整板单元的八条焊缝的焊接,所以,此时将会出现更大程度的上翘现象,所以需要结合有效的矫正措施应用在实际生产过程中,确保处理过程的正常推进。     

江阴长江大桥钢箱梁疲劳应力特征分析

为准确评估钢桥结构的疲劳损伤状态和剩余疲劳寿命,以江阴长江大桥为背景,对该桥钢箱梁疲劳裂纹产生位置进行连续疲劳应变监测,获取应变时程数据,结合雨流计数法技术建立日疲劳应力谱;分析应力幅~循环次数分布规律;研究累积损伤度分布特征,建立损伤度分布模型,计算不同车道构造细节疲劳损伤度和剩余寿命。研究结果表明:钢箱梁顶板测点、U肋与横隔板焊接末端处、弧形缺口有效截面最小处均以压应力为主,U肋以拉应力为主;应力幅累积循环次数分布服从Weibull函数分布;疲劳累积损伤度分布服从Boltzman函数分布,顶板与U肋连接处U肋腹板沿横桥向慢车道疲劳损伤较快车道损伤大,下游车道较上游车道损伤大,其中下游慢车道U肋腹板细节疲劳损伤最大。     

不同热源模型下顶板-U肋焊缝焊接残余应力分析

钢桥面板在焊接过程中会产生较大的残余应力,严重影响其使用性能。为确定焊接过程中残余应力的大小,基于有限元软件ANSYS,建立了正交异性钢桥面板U肋节段模型,采用均匀体热源模型、半球状热源模型、双椭球热源模型三种不同的热源模型,通过生死单元技术,对顶板-U肋焊缝焊接过程进行了数值模拟,得到了不同热源模型下的焊接温度场。在温度场计算结果的基础上,采用间接耦合法,计算了各热源模型下的焊接应力场。对不同热源模型下的温度场和应力场计算结果进行了比较。结果表明:三种模型在温度场整体分布和应力场顺桥向与横桥向分布上基本一致,仅在纵向应力沿板厚分布上存在轻微差异。     

大跨径斜拉桥钢结构疲劳监测与评估

以某大跨径斜拉桥为研究背景,基于钢箱梁的定期检测结果,研究了该斜拉桥的钢结构疲劳性能。在疲劳开裂较严重的顶板与U肋焊接细节、关键受力部位的底板与U肋焊接细节、索梁锚固区焊接细节布置传感器,测试各主要焊接细节的疲劳应力历程,基于雨流计数法获得疲劳应力谱。分析结果表明:苏通大桥目前的交通流量远大于2010年前的交通流量;钢箱梁底板与U肋焊接细节、索梁锚固区锚固板与外腹板焊接细节的疲劳寿命评估结果大于设计使用年限;若不计焊接初始缺陷与焊接残余应力,顶板与U肋焊接细节不会过早地发生疲劳破坏。     

既有钢桥面板U肋内焊临时孔设计方案研究

针对U肋与顶板焊缝开裂具有"普遍性、早发性、多发性、再现性"的问题,开展了将U肋内焊技术应用于既有桥梁U肋与顶板疲劳裂缝的补强加固研究,以提高钢桥面板的使用寿命.但对于既有桥梁,需要在U肋底部设置临时孔,以便内焊机进入U肋内部进行焊接.针对在U肋纵向不同开孔位置对钢桥面板应力重分布,基于精细化数值模拟分析,得到开孔位置...     

轿车后桥加工中的残余应力研究

分别对轿车后桥横梁鞍形加强筋焊缝头部附近在冲压与焊接后的残余应力进行了测试，分析了残余应力分布与变化情况。研究结果表明，横梁中的冲压残余拉应力在焊接后变小，对焊接后的后桥中残余应力分布是有利的；后桥横梁鞍形加强筋焊缝头部的残余拉应力最大，可导致此处发生疲劳损伤。     

钢桥面板U肋与顶板双面焊连接疲劳性能研究

为确定钢桥面板U肋与顶板双面焊连接相比单面焊连接疲劳性能的改善效果,以某实桥正交异性钢桥面板节段为对象,采用ANSYS软件建立有限元模型,计算不同工况下各疲劳易损部位的切口应力幅,并分析双面焊连接疲劳性能的影响因素。结果表明:U肋与顶板双面焊连接的最大切口应力幅比单面焊时减小19.1%,能有效提高U肋与顶板连接焊缝的疲劳性能;U肋与顶板单面焊连接的最不利疲劳易损部位为焊根,而双面焊连接的最不利疲劳易损部位变为外侧焊趾;焊缝未熔透间隙长度和高度对U肋与顶板双面焊连接疲劳性能的影响较小;增大焊缝和顶板夹角可显著降低双面焊连接的最大切口应力幅,提高U肋与顶板双面焊连接的疲劳性能。     

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。