正交异性钢桥面板U肋内焊技术

为提高正交异性钢桥面板U肋与钢桥面板连接焊缝的疲劳耐久性,开发了正交异性钢桥面板U肋内焊技术,通过龙门焊接平台驱动连杆,将6台内焊机器人送入6根U肋内部同时进行12条内侧角焊缝的焊接。解决了U肋内焊设备、工艺、检测、返修等方面的关键技术,实现U肋内焊的可靠、优质、高效焊接。U肋内焊技术将U肋与钢桥面板之间的连接焊缝由单面角焊缝改变为双面角焊缝形式,从根本上改善U肋焊缝焊根处应力集中问题,避免从焊缝焊根处产生疲劳裂纹,同时大幅提高桥面板焊趾处疲劳性能,正交异性钢桥面板U肋内焊技术成功应用于武汉沌口长江公路大桥工程中。此外,结合U肋内焊技术,提出了U肋与横隔板交叉处新构造方案,以期全面提升正交异性钢桥面板疲劳耐久性。     

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。     

港珠澳大桥正交异性钢桥面板制作技术

针对港珠澳大桥长寿命的设计要求,对桥面板U形肋加工技术及桥面板自动化焊接技术进行研究,分析如何通过提高U形肋与桥面板的焊接质量和稳定性来提高正交异性钢桥面板的抗疲劳性能。U形肋的加工工序为:钢板校平→预处理→钢板切割→边缘加工→钻孔→坡口加工→压型。U形肋的组装、定位焊在专用机床上完成,定位焊由焊接机器人完成,突破了制约U形肋焊接熔深难于达到设计要求80%的瓶颈及焊接质量不稳定的难题。采用船位焊接技术,保证了焊缝外观成型,使桥面板与U形肋间连接焊缝的焊趾过渡更加平顺,应力集中大大降低。对U形肋角焊缝进行疲劳试验,结果表明采用新工艺后U形肋焊缝的抗疲劳性能大幅提升。     

正交异性钢桥面U肋与面板内焊连接疲劳性能试验

正交异性钢桥面板具有结构自重小、承载能力强、装配程度高等优点,已被广泛应用于世界各地大跨度桥梁工程中;然而由于正交异性钢桥面板焊接结构复杂、应力集中明显以及直接承受车轮荷载的反复作用等因素,其U肋与面板单面部分熔透焊缝连接处容易产生疲劳裂纹。为寻求改善U肋与面板单面部分熔透焊缝连接疲劳性能的方法,该文对U肋与面板采用单面部分熔透焊缝连接(单缝连接)与采用部分熔透焊缝和内部贴角焊缝组合连接(双缝连接)的5组共10个试件开展了疲劳试验,对比分析各试件的疲劳寿命和开裂形式,发现增加U肋内部贴角焊缝可以大幅提高U肋与面板连接的疲劳寿命。     

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。     

钢桥面板U肋全熔透焊接智能技术应用研究

为了适应桥梁焊接自动化、机械化、智能制造的发展需要,深入研究钢桥面板U肋熔透焊接技术,从焊接方法、焊接残余应力精确计算及影响因素定量分析,并通过建立正交异性钢桥面板局部有限元模型,计算车轮荷载下U肋对接焊缝的主应力,提取各测点最不利横向位置下的纵向应力分布,对比单轮单次荷载作用下的损伤度获得U肋对接焊缝的易损部位。研究出U肋全熔透技术,总结正交异性钢桥面板疲劳开裂的成因,阐明其疲劳特性,针对性提出焊接熔透要求,在提高熔透率的同时,增加疲劳强度,保障桥梁的安全使用。通过无损相控阵检测技术检查焊缝内部缺陷,解决了以往U肋焊缝检测难度大、定位不准、定性困难等技术问题。     

新型大纵肋正交异性组合桥面板力学性能研究

为了解新型大纵肋钢-超高性能混凝土(UHPC)正交异性组合桥面板对传统正交异性钢桥面板的受力性能的改善效果,以港珠澳大桥深水区非通航孔6×110m连续钢箱梁桥为背景,建立全桥有限元模型,对2种桥面方案的静力性能进行对比,建立节段有限元模型,对比2种桥面方案U肋与顶板连接焊缝处的疲劳性能,并分析U肋开口宽度和UHPC结构层厚度对大纵肋钢-UHPC正交异性组合桥面板疲劳性能的影响。结果表明:2种桥面方案下钢箱梁控制点的位移和应力相差不大,所提出的大纵肋钢-UHPC正交异性组合桥面板在中等跨度连续梁桥中具有较好的适用性;大纵肋钢-UHPC正交异性组合桥面板的疲劳性能显著优于传统正交异性钢桥面板;增大U肋开口宽度会导致U肋与顶板连接焊缝应力幅增加,增加UHPC结构层厚度能显著降低U肋与顶板连接焊缝应力幅。     

超声相控阵技术在苏通大桥维护检测中的应用研究

介绍了正交异性钢箱梁桥面板的结构特点及其在公路/铁路桥梁中的应用情况,分析了钢箱梁桥面板的U肋角接焊接接头处疲劳裂纹的常见病害形式,并对比了低倍宏观法、目视+磁粉检测、普通超声检测、射线检测等常用的U肋焊缝检测方法的特点及其在成桥维护检测中的局限性;分析了超声相控阵的特点及其在成桥U肋角接焊接接头处焊缝熔深和缺陷形式检测的可行性,通过对苏通大桥正交异性钢箱梁桥U肋角焊缝的试验检测表明,超声相控阵法可有效地检测成桥后U肋角焊缝的质量和常见病害,从而保证桥梁运行的安全可靠性。     

全熔透双面焊U肋顶板焊缝焊脚尺寸影响的研究

为确定新型正交异性钢桥面板双面焊内外侧焊缝焊脚尺寸对焊接疲劳性能的改善效果,以云南金安金沙江大桥正交异性钢桥面板节段为分析对象,通过建立有限元模型,计算不同焊缝参数下顶板与U肋焊接细节疲劳易损部位的热点应力,分析各焊缝参数对疲劳性能的影响。研究结果表明:增大双面焊焊缝焊脚尺寸能在一定范围内降低疲劳易损细节的热点应力,提高疲劳寿命;增大内侧焊缝焊脚尺寸较增大外侧焊缝焊脚尺寸能更有效地降低疲劳易损细节的热点应力,提高顶板与U肋焊接构造细节疲劳寿命;在其他参数相同时增大某一焊脚尺寸只能提高部分疲劳易损细节的热点应力,但也会导致另外部分疲劳易损细节的热点应力增加。     

沙埕湾跨海大桥主桥钢箱梁U肋双面焊应用技术

U肋板单元作为钢箱梁正交异性桥面板的主要结构形式,备受关注,U肋一般采用单面焊接,熔深为75%～80%板厚。由于越来越多的桥梁面板早期出现疲劳开裂,后期维修费用很大,使得桥面板越来越要求有足够的安全性、耐久性。为响应市场,提升企业核心竞争力,对U肋内焊技术进行研究使用。     

基于热点应力法的双面焊正交异性钢桥面板疲劳强度评估

正交异性钢桥面板的疲劳问题是制约钢桥发展的关键问题,为缓解顶板与U肋焊接细节的疲劳开裂,通过双面焊全熔透工艺来提高焊接细节的疲劳抗力。为评估双面焊正交异性钢桥面板疲劳强度,设计4个试件模型,通过模型试验研究双面焊全熔透顶板与U肋焊接细节的疲劳抗力,基于热点应力法评估焊接细节的疲劳抗力。研究结果表明,试件模型能够准确评估正交异性钢桥面板疲劳抗力;双面焊正交异性钢桥面板的疲劳裂纹产生于顶板与U肋内侧焊趾并向顶板厚度方向扩展;其疲劳抗力均高于FAT90,但其疲劳抗力离散性较大。     

铺装层温度效应对U肋与顶板构造疲劳损伤的影响

为研究50 mm厚EA10环氧沥青混凝土铺装层温度对正交异性钢桥面板U肋与顶板构造疲劳致损效应的影响,开展带沥青混凝土铺装层的正交异性钢桥面板足尺节段模型拟静力循环加载试验。分析不同铺装层温度下正交异性钢桥面板顶板的横向应变、挠度以及U肋与顶板构造的局部热点应力响应,在此基础上,对不同铺装层温度下U肋与顶板外侧焊趾疲劳损伤进行研究。结果表明:常温(25℃)条件下,采用沥青混凝土铺装层可降低钢桥面板顶板35.2%的横向应力和10.3%的局部挠度,以及U肋与顶板双面焊构造外侧顶板焊趾区域的应力幅值和疲劳损伤;随着沥青混凝土铺装层温度升高,顶板横向应力、挠度及U肋与顶板双面焊构造外侧顶板焊趾区域的应力幅值、疲劳损伤显著增大,高温(60℃)条件下该区域疲劳损伤度增幅可达41.5%。     

港珠澳大桥钢箱梁制造自动化技术

从钢箱梁U形肋加工、自动组装、自动化焊接、U形肋角焊缝相控阵检测、Mini焊接技术及焊接数据管理6个方面,介绍港珠澳大桥钢箱梁正交异性桥面板单元制造过程中所采用的自动化技术和装备,对正交异性板单元制造先进技术和装备的推广具有借鉴和指导意义。     

正交异性钢桥面板的疲劳裂纹处治

为给正交异性钢桥面板的疲劳裂纹处治提供参考,对桥面板与闭口肋、竖向加劲肋焊缝连接部位及纵肋与横肋的焊缝相交部位的疲劳损伤进行了研究。研究结果显示:重交通量及大型重车荷载是钢桥面板疲劳损伤的主要原因。桥面板与闭口肋相交的焊缝部位的疲劳损伤主要有焊缝走向裂纹和钢桥面板纵向裂纹。钢桥面板纵向裂纹可通过红外线和超声波等手段进行检测。针对钢桥面板疲劳损伤类型可采取多种处治措施,其中焊缝走向裂纹可采用确保熔深、换肋、桥面板SFRC铺装补强、焊接修补等措施进行修补,钢桥面板纵向裂纹可采用加大桥面板厚度、设止裂孔、焊接修补等措施进行修补。     

U肋-面板全熔透焊接接头疲劳性能试验

正交异性桥面板U肋-面板焊接接头为疲劳裂纹多发部位,为了提高U肋-面板焊接接头疲劳性能,分析目前规范中对该构造细节的疲劳设计要求以及疲劳问题依然存在的原因,在目前主要采用部分熔透焊形式的背景下,考虑引入全熔透焊接以期达到提高疲劳性能的目的。研究围绕一种全新的U肋-面板全熔透焊接接头的疲劳性能分别开展构造细节和节段足尺模型试验研究。试验结果表明：全熔透疲劳裂纹都是始于U肋内侧焊趾处,沿着U肋腹板厚度方向发展,部分熔透焊裂纹主要始于未熔透焊缝的焊根部位,沿焊喉方向发展,直至贯通整个焊喉,且在同样加载条件下,全熔透焊裂纹产生的加载次数明显高于部分熔透焊;全熔透焊的热点应力试验测试值与理论计算值基本一致,U肋焊趾部位应力集中明显,内侧受拉外侧受压,解释了疲劳裂纹起始点为U肋焊趾内侧;经回归计算得到热点应力疲劳强度为263.8 MPa;将足尺节段疲劳试验加载幅度对应的加载次数换算为公路桥梁规范单车轮轮载60 kN所对应的加载次数,2个试件加载次数都超过1.2亿次,且U肋-面板全熔透焊接接头依然没有疲劳裂纹产生,表明U肋-面板全熔透焊接接头具备优良的抗疲劳性能。     

正交异性钢桥面板隐蔽焊缝的应力分布特征研究

通过对之江大桥正交异性钢桥面板进行数值模拟,对不同U肋间距、倾角、板厚情况下隐蔽焊缝及其周围区域的应力分布规律和隐蔽焊缝应力监测的适宜区域进行分析。结果表明:U肋翼板与隐蔽焊缝的应力之间具有较好的相关性,横截面的应力比系数δB受U肋间距、U肋与翼板角度及桥面板与U肋厚度比等参数变化的影响无明显规律;可以通过U肋翼板应力换算得到隐蔽焊缝应力,且δB与测点至焊缝的距离有关,U肋翼板1/4高度以下区域为隐蔽焊缝应力监控的适宜区域。     

钢桥面板与纵肋连接焊缝熔透率及疲劳性能影响研究

钢桥面板纵肋与顶板焊缝兼具连接与传力双重功能,其焊缝熔透率是影响构造细节疲劳性能的关键因素之一。以某长江公路大桥正交异性钢桥面板结构中的纵肋与顶板连接焊缝为研究对象,根据设计参数建立了三维板壳-实体混合有限元仿真分析模型,基于分析结果系统研究了焊缝熔透率变化对于纵肋与顶板构造细节应力分布特性与等效应力幅值的影响效应。研究结果表明:熔透率变化主要影响构造细节横向与纵向应力历程中的拉应力与压应力极值,但对于不同的失效模式其影响效应具有较大差异;在相同熔透率条件下,构造细节相应于纵肋焊趾与顶板焊根位置的等效应力幅值较大,具有更高的疲劳开裂风险;确定合理的焊缝熔透率取值应综合考虑不同失效模式下构造细节的疲劳性能。     

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。     

正交异性钢桥面板的研究进展

正交异性钢桥面板具有自重轻、承载性能好、跨径大、装配速度快等优点,逐步取代了传统砼桥面板。随着近年来交通量的迅猛增加,正交异性钢桥面板的焊缝疲劳问题愈发突出,其中以纵肋-顶板焊缝的疲劳开裂最常见,桥面板、横梁、纵肋三者相交位置也是桥梁结构中对疲劳最敏感的部位。文中对正交异性钢桥面板的发展历史、力学性能、疲劳问题及正交异性钢桥面技术的发展等进行梳理,并对正交异性钢桥面板的未来发展进行展望。     

正交异性钢桥面板典型疲劳细节变形与裂纹尖端应力分析

为了解车轮荷载作用对正交异性钢桥面板典型疲劳细节的影响,以长门特大桥为背景,采用有限元法建立正交异性钢桥面板节段模型及易开裂部位的子模型,分析在不同横向荷载分布下3处典型疲劳细节受力及面内外变形,得到各细节最不利加载位置。对最不利位置进行加载,分析疲劳裂纹尖端应力强度因子变化规律,研究不同疲劳细节裂纹类型及扩展能力。结果表明:单轮荷载作用下,横隔板弧形缺口位置会发生面内外变形,顶板-U肋焊根处以面外变形为主,横隔板间的顶板-U肋焊缝焊根位置面外变形最大。在裂纹较短时,随着长度的增加,弧形缺口裂纹从张开型裂纹逐渐转向张开型、滑开型混合裂纹,且横隔板处的顶板-U肋焊根裂纹为复合型裂纹,横隔板间的顶板-U肋焊根裂纹为张开型裂纹。横隔板弧形缺口裂纹和顶板-U肋焊缝焊根裂纹的尖端应力强度因子的最大值,分别出现在裂纹长度为20 mm和40 mm附近,该处裂纹较容易继续扩展。