正交异性钢桥面板构造细节改进的探讨

鉴于正交异性钢桥面板在铁路桥梁上应用的增多及其疲劳裂纹的多发性,分析了正交异性钢桥面板疲劳裂纹的成因,系统地汇总了正交异性钢桥面板纵肋截面、纵肋与面板连接、横肋与面板连接、纵肋与横肋交叉部位、钢桥面板现场连接形式、U型肋形式等构造细节的演变历程及各国规范相关最新研究成果和规定.     

正交异性钢桥面板纵肋与横肋连接构造细节

<正>交异性钢桥面板的纵肋与横肋连接是受力较复杂、病害较多构造部位。选取横肋腹板空孔、纵肋内隔板设置、纵肋与横肋间焊缝、横肋过焊孔等4个主要构造细节,从受力特性、病害及其治理、工程试验、加工工艺、各国规范发展等角度,系统地汇总正交异性钢桥面板纵肋与横肋连接构造的演变历程和发展现状,并总结经验教训。     

闭口肋正交异性钢桥面板应力分析

<正>交异性钢桥面板在车辆荷载作用下将产生极大的面外弯矩,由于桥面板与纵肋的相对厚度较小,这种面外弯矩将导致较高的弯曲应力进而使构件产生裂纹。用大型有限元分析软件ANSYS对正交异性钢桥面板在板-肋连接处的应力状况进行了数值计算。计算结果表明桥面板应力一般大于纵肋应力,可在横截面加设内横隔板以改善结构受力,同时帽孔尺寸不宜过大,设为25 mm较为合适。     

正交异性桥面板的数值分析及优化

一公铁两用桥,铁路桥面系为与弦杆焊接的箱型结构体系,其顶板与底板均为正交异性桥面板,本文结合铁路荷载的特点对这一复杂的桥面体系的受力机理进行研究。对公路桥面则更注重于构造细节分析,采用实体有限元,考虑面板与U肋焊接熔透深度以及U肋与横梁焊接端部形状,对公路桥面系进行精细有限元分析,掌握复杂公路荷载工况下焊接处的应力分布。     

正交异性钢桥面板开口肋空孔形式疲劳优化分析

选择福厦铁路128 m系杆拱桥钢桥面板的开口肋空孔形式,建立计算模型,通过施加荷载模拟桥面的纵向和横向受弯,分析在各种空孔半径下,桥面的应力分布情况.通过上述分析可以得出:开口肋空孔的形式对桥面整体应力的影响不大,但它对局部应力的影响显著.在纵横肋交叉的弧形缺口处的应力随空孔半径变大,应力逐渐减小;而纵肋与面板之间的肋角焊缝部位的应力随空孔半径变大,应力逐渐变大,并均呈线性关系.圆孔半径取40 mm或50 mm时,纵肋与面板之间的肋角焊缝、纵横肋交叉的弧形缺口处的局部应力分布达到最优.     

正交异性钢桥面板纵肋腹板与面板连接构造的疲劳试验研究

针对正交异性钢桥面板的纵肋腹板与面板连接构造易出现疲劳裂纹的问题,通过不同纵肋腹板与面板厚度配合及制造工艺共5组48个连接构造试件的疲劳试验,研究正交异性钢桥面板纵肋腹板与面板连接构造的疲劳性能及疲劳设计S-N曲线.研究结果表明:当12 mm厚的面板搭配8mm厚的纵肋腹板时,试件发生沿面板厚度方向的剪切破坏,疲劳性能较差;当面板厚度从14 mm增至16 mm时,试件的疲劳性能有所提高;当面板厚度从16 mm增至18 mm、纵肋腹板厚度从8mm增至9mm时,试件的疲劳性能基本无改变;双侧熔透焊对疲劳试件的疲劳性能无改善,反而略低于单侧熔透75％焊.对连接构造试件的疲劳试验数据进行S-N曲线回归分析表明,连接构造可归为铁路桥梁钢结构设计规范中的Ⅸ类构造,当破坏循环次数为2×106时,其应力幅为71.9 MPa.     

铁路正交异性钢桥面板典型疲劳裂纹寿命估算

针对铁路正交异性钢桥面板中典型疲劳裂纹形式,建立计算模型。采用有限元数值方法模拟钢桥面板应力分布,确定各典型疲劳裂纹最不利位置;利用有限元子模型技术模拟各疲劳裂纹位置焊接细节,分析焊缝引起应力集中程度及对疲劳裂纹产生所造成影响;依据断裂力学揭示疲劳裂纹扩展速率与裂纹周围应力场关系,对几种典型疲劳裂纹进行疲劳寿命估算。结果表明:在桥面板与纵肋连接处,桥面板疲劳裂纹寿命较短,而纵肋疲劳裂纹寿命较长,这与国内外现场实测及试验结果相吻合;在横梁与纵肋连接处,其主应力较大且应力集中效应明显,极易产生疲劳裂纹。     

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。     

夹心钢板系统加固正交异性钢桥面板的性能分析

<正>交异性钢桥面板广泛应用在现代钢桥中,但在车辆荷载作用下,由于较高的应力集中易引起关键焊接部位的疲劳裂纹,采用夹心钢板系统(SPS)对正交异性钢桥面板进行加固。通过ANSYS软件建立了正交异性钢桥面板及其SPS加固层的三维有限元模型,在不同的荷载工况下,分析了按我国现行规范规定的车辆荷载的两个后轴共同作用下桥面板的应力分布特征,并与加固前的应力状态进行了对比。结果表明:骑U肋加载在桥面板时U肋焊接处产生的横桥向应力最大;采用SPS对正交异性钢桥面板进行加固的效果良好,与加固前相比,可较大幅度地降低钢桥面板的应力,更有助于抵抗钢桥面板疲劳裂纹的产生。     

UHPC铺装正交异性钢桥面板纵肋-面板焊缝构造细节的疲劳研究

为研究UHPC组合桥面铺装下纵肋-面板构造细节的疲劳性能,开展随机车流作用下的佛陈扩建西桥疲劳试验。研究结果表明:纵肋-面板构造细节面板侧应力幅显著小于纵肋侧,说明UHPC桥面铺装显著增大了桥面刚度,减小了面板的局部应力响应,并显著减少了通行货车对面板的疲劳加载次数。纵肋-面板构造细节能清晰地分辨每个单轴,也即货车每个轴均能产生一个应力幅。在当前随机车流作用下,纵肋-面板构造细节的最大应力幅都小于其常幅疲劳极限,可知佛陈扩建西桥纵肋-面板构造细节具有无限疲劳寿命。     

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.     

铁路正交异性钢桥面板疲劳应力分析与寿命评估

以南京大胜关长江大桥为对象,建立铁路正交异性钢桥面板结构有限元模型,基于热点应力法对典型构造细节的疲劳应力进行计算分析,得到此类桥面结构的疲劳易损区。结合桥梁实际使用情况,基于美国公路桥梁设计规范(AASHTO规范)对桥面板典型焊接细节的疲劳寿命开展计算与评估,结果表明,疲劳Ⅰ与疲劳Ⅱ极限状态下5类疲劳易损构造细节的疲劳应力幅计算值均小于容许值,疲劳寿命满足设计要求。     

石济客运专线济南黄河桥正交异性钢桥面板设计研究

石济客运专线济南黄河桥主桥为公铁两用桥,上层的公路桥面及下层的铁路桥面均为正交异性钢桥面板,其除承受桥面局部荷载外,还参与体系受力。对于此类结构,我国规范没有明确规定,本文意对其关键构造进行研究,确保结构受力安全可靠。其公路及铁路桥面板设计符合欧洲规范(BS EN 1993-2:2006)、日本规范及铁路钢桥规范要求,采用的各细部构造抗疲劳性能好,同时,通过数值分析验证了设计的可靠性。此设计符合技术先进、安全可靠、经济合理等设计原则,其构造形式及分析方法可供类似结构借鉴。     

高速铁路正交异性钢桥面板关键结构细节动力系数试验研究

结合高速动车组通过南京大胜关长江大桥时主桥正交异性钢桥面板典型结构细节动应力的测试,研究与铁路桥梁疲劳性能紧密相关的不同车速条件下正交异性钢桥面板典型结构细节的动力系数.结果表明,各结构细节的传统应力极值动力系数离散性偏大,基本上处于1.0～2.0之间,个别甚至小于1.0.因此,综合考虑动车组高速通过时桥梁整体振动与桥面板局部振动叠加、整体动应力与局部动应力叠加对结构细节局部动应力最大、最小值分配比例的影响,针对采用正交异性钢桥面板的高速铁路桥梁,提出结构细节的动力系数应以应力幅动力系数代替传统应力极值动力系数.与应力极值动力系数相比,应力幅动力系数的离散性显著降低,其值基本上集中在1.0～1.6之间,且没有出现小于1.0的情况.     

西堠门大桥正交异性钢桥面板静载和徐行试验研究

基于西堠门大桥正交异性钢桥面板静载和徐行试验,研究在汽车轮载作用下正交异性钢桥面板关键构造的应力大小、历程和分布规律。试验结果表明,在3轴30t试验车作用下,纵肋底板跨中测点的纵向应力最大,达51.7MPa,横隔板开口上缘测点的最大主应力次之,为30.8MPa,面板上测点的最大横向应力较小,为16.7MPa。面板横向应力、纵肋腹板竖向应力的纵向影响线长度约为2倍横隔板间距,横隔板开口上缘主应力的纵向影响线长度约为1.5倍横隔板间距,纵肋底板纵向应力的纵向影响线长度约为3倍横隔板间距。运用泄水法对徐行试验测得的应力历程进行分析,得到钢桥面板关键构造的应力振动幅值大于5MPa的次数分别为:纵肋底板跨中纵向应力3次,最大应力振动幅值为60.1MPa;面板横向应力3次,最大应力振动幅值为26.8MPa;纵肋腹板竖向应力4次,最大应力振动幅值为16.1MPa;横隔板开口上缘主应力2次。运用AN-SYS软件提供的SHELL181单元建立钢箱梁节段模型进行静力分析,计算结果与实测结果基本一致,表明SHELL181单元能够模拟钢桥面板的受力特征。     

正交异性钢桥面板纵肋?面板疲劳开裂的CFRP加固研究

为了研究碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)加固正交异性钢桥面板纵肋?面板(Rib-to-Deck,RD)构造细节疲劳开裂的可行性,借助ABAQUS建立正交异性钢桥面板多尺度有限元模型,采用扩展有限元法(Extended Finite Element Method,XFEM)模拟RD构造细节焊趾处表面裂纹,与其他文献的对比验证模拟方法的可靠性;选取RD构造细节横桥向最不利的轮载位置加载,计算并对比CFRP加固RD构造细节前后应力强度因子幅值的变化.研究结果表明:XFEM取15道围道积分数并去除前2道围道积分计算平均值,得到的I型应力强度因子解较准确;CFRP加固能有效降低裂纹尖端应力强度因子幅值,从而降低其疲劳裂纹扩展速率,提高构造细节的疲劳寿命;CFRP作用体现在降低了焊趾处的应力集中和增强了裂开区的连接效应;其加固效果随CFRP层数、纵向长度、宽度的增加而提高,当CFRP纵向长度、宽度大于某一值时,其对加固效果的影响很小.     

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。     

正交异性钢桥面板纵肋?面板疲劳开裂的CFRP加固研究

为了研究碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)加固正交异性钢桥面板纵肋?面板(Rib-to-Deck,RD)构造细节疲劳开裂的可行性,借助ABAQUS建立正交异性钢桥面板多尺度有限元模型,采用扩展有限元法(Extended Finite Element Method,XFEM)模拟RD构造细节焊趾处表面裂纹,与其他文献的对比验证模拟方法的可靠性;选取RD构造细节横桥向最不利的轮载位置加载,计算并对比CFRP加固RD构造细节前后应力强度因子幅值的变化.研究结果表明:XFEM取15道围道积分数并去除前2道围道积分计算平均值,得到的I型应力强度因子解较准确;CFRP加固能有效降低裂纹尖端应力强度因子幅值,从而降低其疲劳裂纹扩展速率,提高构造细节的疲劳寿命;CFRP作用体现在降低了焊趾处的应力集中和增强了裂开区的连接效应;其加固效果随CFRP层数、纵向长度、宽度的增加而提高,当CFRP纵向长度、宽度大于某一值时,其对加固效果的影响很小.     

正交异性钢桥面梯形闭口加劲肋厚度的优化

针对钢箱梁正交异性桥面局部受力复杂的情况,运用ALGOR有限元软件建立了钢箱梁结构分析的板壳单元空间有限元模型.采用车辆荷载在横桥向的不利位置布载,分析了正交异性钢桥面系梯形闭口肋厚度对桥面承载性能的影响,给出了加劲肋厚度的建议取值及对正交异性钢桥面系的优化措施.