高铁钢桁拱的桥面疲劳细节与受力特性研究

研究目的:为研究高速铁路大跨连续钢桁梁柔性拱桥正交异性钢桥面板疲劳细节的局部受力,本文以银西高铁银川机场黄河特大桥为背景,建立横梁弧形切口以及U肋与顶板连接焊缝两处疲劳细节的精细化有限元模型,分析列车移动荷载作用下疲劳细节处的应力分布,并对比分析不同弧形切口形状和横梁腹板厚度对疲劳细节局部应力的影响规律。研究结论:(1)正交异性钢桥面的U肋-横梁位置的弧形切口处在移动活载下容易出现应力集中,且弧形切口起始处与弧形切口自由边所对应的最不利活载位置不同,在轨枕横向两侧端部下方的横梁弧形切口起始处以及弧形切口自由边容易出现最大主应力;(2)横梁板厚对弧形切口自由边的主压应力影响最大,且随板厚增大该处主压应力减小,对本工程当板厚由16 mm增加至20 mm时,主压应力减小幅度超过20%;(3)不同弧形切口形状对疲劳细节的局部应力也有较大影响,与原设计切口形状相比,日本设计规范所推荐切口形状的主应力极值最小;(4)为提高正交异性钢桥面板的疲劳特性,对U肋-横梁疲劳细节进行局部构造优化是必要的,研究成果对同类型结构的优化设计具有理论指导意义。     

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。     

钢-UHPC组合桥面闭口纵肋-横隔板接头疲劳性能

为研究新型钢-UHPC组合正交异性桥面纵肋-横隔板接头疲劳性能,基于一座现场桥梁,建立精细化双尺度有限元模型,获得构造细节在轮载下的应力响应.分析其力学特性,并采用热点应力法评估其疲劳性能.研究结果表明:纵肋-横隔板接头应力状态复杂,构造细节处存在显著应力集中,为疲劳易损细节.焊缝末端细节以面外弯曲应力为主,包括扭转效应与泊松效应;横隔板侧细节由面内应力和面外应力组成.为进一步改善纵肋-横隔板接头疲劳性能,分析了UHPC刚度效应,并探讨切口尺寸的影响.通过将50 mm厚UHPC层与40 mm切口间隙相结合,使纵肋-横隔板接头实现了无限疲劳寿命,能应用于交通量大的桥梁工程.     

天兴州桥正交异性板焊接部位疲劳性能研究

武汉天兴洲桥是特大型公铁两用斜拉桥，其公路桥面采用了正交异性板的构造形成。运用有限元分析软件ANSYS和焊接疲劳试验方法，对正交异性板关键焊接部位（槽型闭口肋嵌补段对接处及闭口肋与横梁焊接处）的疲劳性能进行研究。采用ANSYS建立模型，用公路荷载标准进行桥面板应力分析，确定最不利荷载位置，进而计算得到正交异性板槽型闭口肋嵌补段对接处及闭口肋与横梁焊接处的最大应力幅分别为28．6和39．66MPa。疲劳试验结果表明，焊缝的焊趾是薄弱环节。由疲劳试验得出的槽型闭口肋嵌补段对接焊缝及闭口肋与横梁或横隔板连接焊缝的疲劳容许应力幅分别为89．31和49．14MPa，大于有限元计算得到的最大应力幅，说明正交异性板关键部位的疲劳性能符合要求。     

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.     

纵梁(肋)高度对正交异性板钢桥面系受力影响分析

正交异性板各个构件的选用关系着钢桥面系的安全性及经济性,通过有限元分析软件,建立桥面系板单元模型,对正交异性板多横梁体系纵梁、纵肋高度变化时桥面系各部分受力分析,总结纵梁(肋)高度变化对桥面板、横梁以及横梁与纵梁(肋)相交处挖孔部位受力的影响趋势,得出结论:增加纵梁高度,纵梁自身正应力逐渐增大,U肋正应力逐渐减小;横梁U肋挖孔处主拉应力增大,横肋相应处主拉应力减小,但减小或增大的幅度较小。改变T形纵梁高度,对横梁整体受力及桥面板影响甚小,可忽略不计,T形纵梁的合理取值范围为横梁高度的0.35~0.4倍;U肋高度过大或者过小,桥面板应力的均匀性均不好,且主拉应力均较大。增大U肋高度,纵梁正应力逐渐减小,U肋自身应力并未成线性变化趋势,而是呈"锯齿"形变化趋势。改变U肋高度对桥面板应力影响均较小,可忽略不计,U肋的合理高度取值范围为240~280 mm。     

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。     

考虑纵肋-横隔板焊缝模拟的正交异性钢桥面板疲劳性能研究

为研究纵肋-横隔板(rib-to-floorbeam,RF)焊缝模拟与否及焊缝模拟数量对正交异性钢桥面板各疲劳敏感细节应力响应的影响,分别建立无RF焊缝及不同数量RF焊缝的正交异性钢桥面板有限元模型,计算轮载作用下各构造细节的应力响应.为提高计算速度与精度,RF焊缝采用体单元模拟,桥面板其他构件采用壳单元模拟,通过约束方程实现体-壳耦合.研究结果表明:模拟RF焊缝时,RF横隔板侧和纵肋侧构造细节的应力幅分别增大66％和54％,其对应的计算疲劳寿命更接近实桥出现裂纹的时间;模拟RF焊缝对弧形切口和RD构造细节应力响应几乎无影响.模拟不同数量RF焊缝对各构造细节应力响应无明显差别;相比于不模拟焊缝的情况,模拟焊缝可以清楚地显示RF焊缝沿高度方向上的应力分布,纵肋和横隔板的连接部位应力过渡更加平滑.     

高速铁路跨度132m钢桁梁正交异性板桥面系横肋开孔处应力分析

为了保证正交异性板的整体性,纵梁、纵肋通常连续通过横梁、横肋,横梁(肋)在相交处需相应开孔。横梁(肋)开孔处由于承受面内及面外的应力,使得该部分的应力非常复杂,是桥面系的薄弱环节,合理的构造处理及开孔形式能够改善该部分的应力集中,优化桥面设计,延长桥面系使用寿命。通过对桥面系板单元有限元分析,总结出该部分受力特点及影响因素,并对开孔方式的影响进行了定性分析。     

东平水道特大桥(85+286+85)m双拱肋钢桁拱设计

东平水道特大桥主桥为(85+286+85)m双拱肋钢桁拱桥,该桥式上拱肋延伸至边墩支承,下拱肋支承在主墩上,上下拱肋用桁架联接,边跨不是梁,仍是拱,通过拱上立柱支撑桥面,边中跨比仅为0.3。桥面系采用带水平K撑的正交异性板结构。该桥式结构和带水平K撑的钢桥面系在国内均是首次应用,丰富了铁路桥梁结构类型,拓宽了桥梁结构设计思路,整个体系受力层次分明、简单明确。     

高速铁路矮塔斜拉桥主梁局部受力行为分析

新建商丘至合肥至杭州铁路工程颍上特大桥在主梁斜拉索锚固区采用相比于隔板更为轻巧的横梁结构。针对这种新颖结构,为更好地了解其受力特性、优化构造细节,建立中支点至中跨跨中间的1/4主梁模型。模型考察主梁横梁局部应力,得到增设倒角可降低此处横向拉应力的结论。同时还关注腹板剪力分配,得到在无索区段中腹板承担较大剪力,有索区段相反的结论。最后通过索力作用下桥面板纵向应力分布模式,显示出索力在桥面板的传力路径,为结构局部优化、横向分析及结构配筋提供依据。     

常温养护下正交异性钢板-RPC组合桥面力学研究

为了解决正交异性桥面板铺装破坏和钢桥面板开裂的问题,提出一种常温养护下正交异性钢板-活性粉末混凝土(RPC)组合桥面结构体系。基于某大桥建立局部有限元模型,并计算对比常温RPC组合箱梁、纯钢箱梁、高温RPC组合箱梁和普通混凝土组合箱梁的桥面系应力状态;同时开展局部模型静载试验。研究结果表明:常温养护下RPC抗压强度、抗折强度和弹性模量与普通混凝土相比有明显的提高;常温养护的RPC组合箱梁的RPC层拉应力达到了6.45 MPa,未出现裂缝,此应力远高于普通混凝土的抗拉强度,从而为解决桥面铺装破坏提供了思路;常温RPC组合箱梁和高温RPC组合箱梁桥面板应力降幅都超过了80%,明显大于普通混凝土组合箱梁,从而改善桥面板疲劳性能。常温养护的RPC在施工现场便于制作,应用前景较好。     

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。     

德大铁路黄河特大桥主桥钢梁结构设计

德大铁路黄河特大桥主桥为1-(120+4×180+120)m下承式变高度连续钢桁梁,需要满足近期单线、远期双线的Ⅰ级铁路行车要求,具有跨度大、结构高的特点。首先介绍主桥的总体布置,而后对设计中采用的变高度"N"形主桁、正交异性整体钢桥面板、空间上平纵联、阻尼器、桥面柔性防水保护层、钢轨伸缩调节器、钢梁防腐涂装要求都作了详尽的说明。最后对钢梁的悬臂施工过程、70t固定式桅杆起重机进行介绍。     

贵广铁路东平水道特大双拱肋钢桁架拱桥分析和设计

研究目的:贵广铁路东平水道特大桥为(85.75+286+85.75)m双拱肋钢桁架拱桥,桥面采用带水平K撑的正交异性板结构,该桥式结构在国内是首次应用。通过对该桥主桁、桥面系和纵横向联接系进行受力特征分析,以及对受力复杂的G11节点进行局部精细空间有限元分析,为该桥的设计提供了依据,研究结果可供其他同类型桥梁参考。研究结论:该桥主桁杆件轴向受拉和受压的最大绝对值比较接近;受力状态比较合理,桥面系各构件受力均满足设计要求;G11节点局部受力情况复杂,各构件最大应力均未超过钢材的屈服应力。     

重载铁路大跨度上承式钢管混凝土拱桥设计研究

对某重载铁路一座大跨度上承式钢管混凝土拱桥设计的桥梁布置、拱肋截面及线形、拱肋横撑形式、拱上桥墩方案、施工方法等若干关键问题展开研究,通过有限元对桥梁的承载力、刚度、自振特性等方面进行计算分析,得出以下主要结论:(1)上承式钢管混凝土拱桥能很好地适应桥址地形、地质条件;(2)拱肋采用四肢桁式截面,横向内倾6.5°,拱轴线形采用m=3.0悬链线,具有较好的受力性能;(3)腹杆采用H形钢构件,与拱肋弦管采用大节点连接方式,能满足重载铁路疲劳性能要求。(4)钢筋混凝土排架式桥墩在受力、景观等方面是最优选择。     

大跨度高铁斜拉桥钢-混结合主梁收缩徐变研究

为研究钢混结合主梁混凝土桥面板的收缩徐变对大跨度高铁无砟轨道斜拉桥的影响,以昌吉赣客专赣江特大桥为工程背景,采用Midas Civil软件建立全桥精细化数值分析模型,考虑钢混结合梁混凝土桥面板不同的加载龄期,分析结合梁斜拉桥在收缩徐变效应下变形及受力的变化。结果表明:赣江特大桥结合梁在施工成桥初期至运营5年后,钢混结合梁混凝土桥面板收缩徐变引起面板及钢箱梁的应力变化情况均满足规范要求,桥面板及钢箱梁在施工成桥1年后收缩徐变完成50%以上,3年后完成80%左右;桥面板混凝土的加载龄期越长,混凝土收缩徐变对桥梁结构变形和受力的影响越小,并在混凝土加载龄期达到180 d后对桥梁结构的影响呈稳定趋势,将结合梁桥面板预制存放180 d后再进行吊装,可有效降低混凝土收缩徐变对此种结构正常使用期间力学行为的影响。