正交异性钢桥面板纵向U肋与横梁接缝的应力特点和疲劳裂纹特性

结合正交异性钢桥面板的足尺模型试验和有限元数字分析方法,研究和探讨正交异性钢桥面板的疲劳强度和疲劳裂纹.通过静载和动载试验,研究纵向U肋与横梁接缝的应力特点和疲劳裂纹特性.用应变能密度因子方法分析疲劳裂纹的扩展,研究在裂纹尖端设止裂孔的裂纹维修方法的有效性.     

设置U肋内隔板的钢桥面板疲劳性能研究

为研究U肋内隔板及其参数对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响,以某钢桁梁柔性拱铁路桥为背景,针对其钢桥面板制作2个足尺模型(试件1无内隔板,试件2设置内隔板)进行疲劳试验,研究疲劳裂纹的产生情况,采用ANSYS软件建立有限元模型,分析产生裂纹处纵肋腹板的应力分布情况,应用断裂力学方法评估钢桥面板的疲劳寿命,并分析内隔板参数对钢桥面板应力的影响。结果表明:纵肋腹板与横梁帽孔交汇处易发生疲劳裂纹,2个试件均在此处出现疲劳裂纹;设置纵肋内隔板能改善纵肋腹板与横梁帽孔交汇处的应力集中现象,有效提高纵肋腹板和横梁帽孔处的疲劳强度;内隔板厚度对钢桥面板的应力影响不大,适当增加内隔板高度差可减小纵肋腹板处主应力。     

钢桥面顶板-U肋焊缝表贴增强板材疲劳加固方法研究

针对正交异性钢桥面板顶板-U肋焊缝疲劳开裂问题,提出在顶板表面粘贴小尺寸增强板材的疲劳加固方法.采用碳纤维增强复合(CFRP)板和钢板2种疲劳加固板材,开展钢桥面局部区域足尺模型疲劳试验,采用热点应力法分析加固前后顶板-U肋焊缝的疲劳性能,最后根据线弹性断裂力学和有限元计算分析,对比分析不同加固板材下焊缝裂纹扩展过程中...     

超高性能混凝土-钢正交异性板组合桥面受力性能研究

针对柔性铺装正交异性钢桥面板存在的钢板疲劳开裂和铺装层极易损坏的问题,提出超高性能混凝土(UHPC)-钢正交异性板组合桥面体系。以武汉军山长江大桥为背景,通过ANSYS有限元仿真计算分析该组合桥面体系正交异性板相对于柔性铺装正交异性板受力性能的改善情况,并通过单U肋2跨连续梁足尺模型试验对UHPC层的受力性能进行研究。研究结果表明:采用组合桥面后正交异性板各构造细节的应力大幅下降,其中面板应力降幅最大,加劲肋次之,横隔板最小;采用UHPC-钢正交异性板组合桥面体系后正交异性板主要构造细节最不利热点应力幅降至常幅疲劳极限以下,理论上具有无限疲劳寿命;模型试验显示在实桥最不利应力作用下,UHPC层未发现可见裂纹,当名义应力达到18.79 MPa时在模型中支撑板顶部UHPC上发现0.05mm宽的裂纹。     

基于断裂力学的UHPC加固钢桥面板性能分析

正交异性钢桥面板的板-肋焊接处是车辆荷载下极易开裂的位置,通过UHPC加固可以有效减小钢桥面板的疲劳风险。为了研究UHPC加固钢桥面板的效果,基于线弹性断裂力学展开有限元分析。通过正交异性钢桥面板试验案例作为参考对焊趾处的疲劳性能进行计算,验证了有限元模型的可靠性,通过在焊接细节处插入初始裂纹进行应力强度因子计算分析,考虑不同加载位置以及UHPC层厚度对裂纹尖端的应力强度因子值的影响。研究结果表明：顶板处焊缝位置的热点应力要高于U肋处的焊缝,热点应力受荷载位置影响较为明显;增加UHPC层可有效增加正交异性钢桥面板的刚度,从而减少裂纹尖端的应力集中,增设50 mm厚的UHPC铺装层时,初始裂纹尖端的应力强度因子减小约89%,研究内容可为UHPC加固钢桥面板设计提供参考。     

正交异性钢桥面板U肋-盖板焊接节点的疲劳性能试验

为深入研究正交异性钢桥面板U肋-盖板焊接节点的疲劳性能及其破坏机理,设计了6个足尺试件模型开展试验研究。首先进行中心加载和偏心加载两种加载工况下的静力试验,对焊缝附近区域的钢板表面应力进行实测,得到热点应力分布规律及应力集中系数;随后进行不同热点应力幅下的高周疲劳循环加载,得到相应的疲劳破坏模式、疲劳寿命、疲劳裂纹扩展过程及速率、刚度退化等实测数据。结果表明:U肋-盖板焊接节点的最大热点应力位于盖板焊趾处;节点在循环荷载作用下的疲劳裂纹扩展过程大致分为裂纹萌生、裂纹稳定扩展、裂纹贯穿壁厚、断裂失效4个阶段,且裂纹贯穿盖板壁厚之后的剩余疲劳寿命可忽略不计;疲劳开裂初期的裂纹扩展速率较为稳定,裂纹贯穿盖板厚度之后的扩展速率明显加快;节点刚度在裂纹长度达到150 mm时开始出现下降趋势,并在裂纹贯穿盖板厚度之后发生刚度急剧退化。通过疲劳寿命数据对比,可以认为采用IIW规范的FAT100级S-N曲线对正交异性钢桥面板U肋-盖板焊接节点的疲劳寿命进行预测和评估是偏于安全的。     

U肋对接焊缝三维疲劳裂纹应力强度因子分析

U肋对接焊缝处易出现疲劳裂纹,为了分析该部位裂纹体应力强度因子对各关键参数的敏感程度及其简化计算公式,以港珠澳大桥为背景,利用ANSYS有限元软件,逐步建立了该桥正交异性钢桥面板U肋对接焊缝处三维半椭圆形裂纹体的精细化仿真分析模型,采用相互作用积分与有限元相结合的方法计算半椭圆形裂纹体应力强度因子,进行系统的参数分析,探讨了应力强度因子随各关键设计参数的变化规律,并根据有限元分析结果得出了应力强度因子计算公式。结果表明:应力强度因子对裂纹前缘位置和裂纹深度较敏感,而对顶板厚度、U肋厚度及U肋顶板宽度的敏感性较弱,基于响应面法得到的拟合公式计算应力强度因子具有较高的计算精度。     

初始缺陷角度对钢桥面纵肋顶板焊缝应力强度因子影响分析

初始缺陷在钢桥面板工厂焊接加工时难以避免,是影响钢桥面疲劳性能的重要内在因素。为研究初始缺陷角度对纵肋顶板焊缝疲劳开裂的影响,建立了包含典型初始缺陷工况条件下的有限元模型,分析得到了裂纹前缘应力强度因子。计算结果表明：竖向初始缺陷状态下的裂纹扩展能力最强;初始缺陷从竖向偏转至45°过程中,偏转角越大,张开型应力强度因子越小,滑开型和撕开型应力强度因子越大。断裂参数数值计算方法与分析结果可为相关钢桥面构造抗疲劳分析提供参考。     

钢桥面板纵肋-顶板焊缝细节疲劳裂纹的应力强度因子分析

为研究正交异性钢桥面板纵肋-顶板焊缝位置的疲劳裂纹扩展特性,以某钢箱梁斜拉桥为工程背景,基于线弹性断裂力学与扩展有限元方法,通过ABAQUS软件建立纵肋-顶板三维裂纹扩展模型,引入半椭圆初始裂纹,对焊根与焊趾裂纹尖端的应力强度因子进行分析.分析结果表明,在车辆荷载的作用下,纵肋-顶板连接细节的疲劳裂纹是以Ⅰ型为主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹;裂纹在横向位于车轮正下方,纵向位于两车轴中间时,疲劳裂纹扩展趋势最大;在车辆经过裂纹附近2 m范围内时,应力强度因子在最值间波动,对裂纹扩展产生较大影响.     

正交异性钢桥面板疲劳寿命设计优化研究

采用有限元计算方法,对某大桥钢桥面铺装在采用钢-UHPC超轻型组合梁优化前后的钢箱梁节段正交异性钢桥面板的主要连接接头进行了分析,研究了在轮轴荷载作用下主要疲劳裂纹的控制应力的分布特征及应力影响面,建立了较全面的荷载作用与应力效应的对应关系,并由此推算出实桥在设计疲劳荷载作用下的应力历程及相应的应力谱。针对设计疲劳寿命周期内的正交异性钢桥面板的各构造细节,根据Miner疲劳损伤累积理论计算出相应的疲劳累积损伤,并对其疲劳寿命进行评估。采用普通钢桥面铺装时,靠近顶板与U肋、U肋与横隔板连接处的主要疲劳裂纹,其疲劳累积损伤度在设计使用寿命周期内均大于1,存在较高的疲劳开裂风险。经钢-UHPC超轻量组合桥面板设计优化后,顶板与U肋连接处抗疲劳性能改善效果显著,在大桥设计寿命周期内可满足抗疲劳设计的使用要求;但设计优化对横隔板-U肋-顶板连接处的抗疲劳性能影响有限,在设计使用寿命周期内,疲劳裂纹C.5、C.6、C.6.1、C.7仍存在较高的开裂风险,需引起重视。     

铁路桥梁正交异性钢桥面的疲劳特征

研究采用开口加劲肋的铁路钢桥正交异性钢桥面的疲劳特征.通过几个试件的疲劳测试,发现横梁腹板的孔洞形状、剪力以及焊缝熔透深度都是影响疲劳特性的重要因素.正交异性钢桥面的疲劳损伤最容易发生在横梁腹板的孔洞附近,也可能由质量不高的焊缝内的裂纹引起.     

钢桥面板纵肋顶板焊缝疲劳裂纹扩展的关键影响因素

正交异性钢桥面板疲劳问题突出，纵肋与顶板焊缝处是其关键疲劳易损部位，研究该部位疲劳裂纹的扩展过程并确定关键影响因素及其效应，有助于深刻理解其疲劳损伤机理。建立正交异性钢桥面板疲劳试验节段模型的有限元分析模型，将纵肋与顶板焊缝焊根处的疲劳裂纹近似为半椭圆形裂纹，基于断裂力学实现其扩展全过程的三维数值模拟。在此基础上研究初始裂纹的纵向位置和初始裂纹形状对疲劳裂纹扩展过程的影响，阐明扩展过程中的疲劳裂纹的形状变化，以及疲劳裂纹关键部位应力强度因子幅值的变化规律。研究表明：对于典型的正交异性钢桥面板纵肋与顶板焊缝，在纵向一段范围内，初始裂纹的纵向位置对裂纹扩展的影响不大；初始裂纹形状对裂纹扩展的影响主要体现在裂纹扩展的初始阶段，经过一段时间的扩展之后，不同形状的初始裂纹将演变为相对稳定的形状；持续一段时间后，裂纹将逐渐变得较为扁长；疲劳裂纹在深度方向上扩展超过约顶板厚度一半时，最深点的扩展速率将会减慢；深度相同的裂纹，形状越扁长时越倾向于向深度方向扩展，越不扁长时越倾向于向长度方向扩展。     

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。     

大纵肋正交异性组合桥面板疲劳性能研究

在大纵肋正交异性钢桥面板结构中引入混凝土结构层,通过栓钉将钢桥面板与混凝土结构层组成新型大纵肋正交异性组合桥面板,是从结构体系层面提高大纵肋正交异性钢桥面板疲劳性能的有效途径。基于有限元数值分析,明确了大纵肋正交异性组合桥面体系对于钢桥面板典型疲劳易损细节的应力幅改善效果;采用足尺节段模型试验对结构的关键疲劳易损细节进行了疲劳试验研究,验证了关键疲劳易损细节在设计寿命期内的抗疲劳安全性和混凝土结构层在疲劳荷载作用下的耐久性,在此基础上对关键疲劳易损细节的疲劳损伤演化及结构体系的疲劳破坏模式进行了试验与理论研究。研究结果表明:大纵肋正交异性组合桥面板结构体系能够显著降低U肋与顶板以及U肋与横隔板连接细节的应力幅,横隔板开孔部位是控制钢桥面板疲劳性能的关键构造细节;设计寿命期内钢桥面板疲劳性能与混凝土结构层的疲劳耐久性均满足要求,且具有一定的安全储备;混凝土结构层负弯矩区疲劳开裂对钢桥面板各疲劳易损细节疲劳性能的影响不显著;大纵肋正交异性组合桥面板的疲劳破坏模式表现出典型的两阶段特征,栓钉发生疲劳断裂并导致组合效应局部劣化,进而加速钢桥面板关键疲劳易损细节的疲劳损伤累积速度并最终发生疲劳开裂。     

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。     

弯扭条件下正交异性钢桥面板疲劳性能试验研究

为研究弯扭条件下正交异性钢桥面板的疲劳性能,根据某实际桥梁图纸制作了6个足尺试件模型,模型由盖板、U肋和横隔板3部分组成,模型间各部分通过焊接连接。首先,采用有限元软件ANSYS对试件受力情况进行数值模拟,获得静力荷载作用下试件的内力分布,确定疲劳试验所要加载的疲劳荷载大小以及要观测热点应力的位置。然后,对6个盖板-U肋-横隔板试件进行高周疲劳加载,观察并记录了试验过程中试件开裂位置、试件的裂缝发展情况和试件开裂过程中竖向位移的变化,分析了复杂应力下桥面板疲劳裂缝扩展、刚度退化和疲劳寿命等。结果表明:弯扭条件下盖板-U肋-横隔板焊接连接试件疲劳开裂出现在焊缝焊趾处,且盖板上靠近U肋处裂缝扩展路线呈弧形;弯扭条件下裂纹扩展可大致分为裂纹萌生阶段、稳定扩展阶段、贯穿板厚阶段和疲劳断裂阶段;加载前期试件刚度退化不明显,接近疲劳破坏时刚度大幅下降,并建立了盖板-U肋-横隔板连接节点竖向位移变化值与疲劳特性参数之间的大致关系;裂缝扩展阶段疲劳寿命较短,其他3个阶段寿命大致相同;给出了测点热点应力突变和肉眼可见裂缝两种准则下的S-N曲线,试验所得盖板-横隔板焊接连接细节疲劳强度均高于国际焊接协会标准IIW和欧洲规范3推荐的FAT 90,FAT 100,FAT 112以及FAT 125的细节疲劳强度。     

钢桥面板横隔板多裂纹扩展三维数值模拟及其特性研究

针对正交异性钢桥面中横隔板弧形开孔处存在的多裂纹这一特殊情况,采用通用有限元软件ANSYS建立了含多裂纹的有限元数值模型。基于所建立的数值模型,通过计算精度较高的相互作用积分法得到裂纹尖端应力强度因子K,并将其作为基本参量对多裂纹的扩展特性进行分析研究。研究结果表明:正交异性钢桥面板中初始存在多条裂纹时,随着荷载循环作用次数的增加,裂纹扩展将发展成以其中一条裂纹作为主裂纹进行扩展,剩余裂纹则在扩展至一定长度后停止扩展;横隔板弧形开孔边缘产生的角裂纹后期将扩展成穿透型裂纹,该处疲劳裂纹扩展到后期为穿透型疲劳裂纹。     

钢桥面板-肋双面焊构造细节疲劳失效模式研究

设置高疲劳抗力构造细节是提升钢桥面板疲劳寿命的有效途径之一,以一种钢桥面板-肋双面焊构造细节为研究对象,基于线弹性断裂力学原理,利用ABAQUS有限元软件建立了该细节疲劳裂纹扩展子模型,研究了疲劳加载工况下各裂纹萌生点处初始裂纹扩展能力.同时通过应力强度因子幅值对比分析,进一步确定了该钢桥面板-肋双面焊构造细节主导疲劳失效模式.     

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。     

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。