轮载横向分布对正交异性钢桥面板疲劳行为的影响研究

由于车辆轮载横向位置的离散性,在对正交异性钢桥面板进行疲劳验算时,采用单迹线加载方式求得的等效应力幅值较真实值偏大,而我国规范未就轮载横向分布对等效应力幅的折减作用做出明确规定。采用国内道路观测统计得出的轮载横向分布特征,建立了3种具有典型构造特征的正交异性钢桥面板有限元模型,研究了轮载横向作用位置对正交异性钢桥面板各构造细节应力循环特征的影响,依据Miner线性累积损伤准则,分析了轮载横向分布对等效应力幅的折减作用,得出了应力幅折减系数,建议取为0.85。     

无切口钢-UHPC组合桥面纵肋-横隔板接头疲劳性能

为解决正交异性钢桥面纵肋-横隔板接头疲劳开裂问题,根据正交异性钢桥面构造特点,提出了一种疲劳性能良好的新型无切口正交异性钢-UHPC组合桥面,能简化制造工艺,提高经济性能。基于ANSYS数值分析平台建立双尺度有限元模型,采用欧洲规范疲劳荷载模型III开展纵桥向移动加载,获得了纵肋-横隔板接头在3种典型横向位置下的轮载热点应力响应曲线。结合轮载作用下的应力云图和变形图,揭示了构造细节力学机理,评估了疲劳性能,并探讨了构造参数的影响。应力响应曲线表明:纵肋-横隔板接头在轮载作用下的应力响应以受压为主,局部效应显著,纵桥向应力影响线短,因而可根据轮载应力响应曲线识别轴组中的单轴。应力云图和变形图表明:构造细节在轮载作用下出现了显著应力集中,因新型桥面横隔板截面削弱较小,横隔板侧应力梯度小于纵肋侧。纵肋-横隔板接头应力最大点均不在纵肋正底部位置,而是与纵肋中心线成一定角度。由于纵肋-横隔板接头与面板距离较大,UHPC层和面板厚度对其疲劳性能改善并不明显。增加横隔板厚度能减小横隔板侧应力幅,但会增加纵肋侧应力幅,横隔板厚度可取10 mm。增大纵肋腹部厚度可有效减小纵肋侧应力幅,16 mm的纵肋腹部厚度可使得纵肋-横隔板接头实现无限疲劳寿命。     

轮迹横向分布对钢桥面板疲劳应力幅的影响

为了对正交异性钢桥面板考虑轮迹横向分布影响时疲劳应力谱的简化计算提供参考,以港珠澳大桥正交异性钢桥面板为例开展研究。在对比分析国内外轮迹横向分布研究成果的基础上,采用ANSYS有限元软件建立实桥疲劳控制梁段三维仿真分析模型,研究了3种典型轮迹横向分布模型对疲劳易损细节应力幅的影响。研究结果表明:考虑轮迹横向分布的影响计算等效应力幅时,可仅考虑轮迹横向最不利位置所在车道的轮载贡献;不同易损细节之间折减系数的波动随轮迹分布模型集中程度的增加而增加;轮迹横向分布对等效应力幅的影响随易损细节位置至顶板距离的增加而增加;等效应力幅折减系数可取为0.9。     

双塔单索面大悬臂钢-STC组合桥面斜拉桥受力性能的研究

清远市北江四桥为双塔单索面超宽幅大悬臂钢-STC桥面板钢-混凝土混合斜拉桥,超宽幅钢-STC轻型组合桥面横向悬臂大的结构特点,使该桥在横向偏载情况下,钢-STC层承受较大的拉应力。钢桥面的疲劳问题一直是桥梁设计关注的重点,对该桥应用热点应力法重点分析STC对该桥钢桥面疲劳性能的影响:超宽幅钢-STC轻型组合桥面的局部刚度由于STC层的介入而大幅提高,降低了钢桥面板的活载应力幅,进而延长疲劳寿命,通过疲劳受力分析对STC层及钢箱梁在横隔板、U肋腹板等疲劳细节位置的抗疲劳性能进行研究。     

某正交异性板钢箱梁斜拉桥UHPC组合桥面改造方案研究

某跨江大桥为主跨460m的斜拉桥,运营多年后正交异性板钢箱梁出现大量裂纹,提出采用超高性能混凝土(UHPC)组合桥面(由配钢筋网的UHPC层与钢桥面板通过短栓钉组合而成)进行改造。为选择合适的改造方案,采用有限元法建立原钢箱梁和UHPC组合桥面钢箱梁(UHPC层厚4.5,5.5,6.0cm)模型,分析各疲劳细节应力及UHPC层应力;开展UHPC层配置钢板条的组合结构模型试验,验证其疲劳性能。结果表明:UHPC组合桥面降低了钢箱梁各疲劳细节最大应力幅,降幅为11%~88%,顶板疲劳细节处裂纹尖端最大应力幅降幅达92%;疲劳荷载作用下,UHPC层顶面应力较低,钢桥面板开裂后UHPC层底面应力较大;采用钢板条对5.5cm厚UHPC层的组合结构加强后,UHPC层名义开裂应力达43.2MPa,200万次疲劳寿命达22.1MPa,疲劳性能满足要求,选择该方案进行改造。     

钢桥面板纵肋与横隔板连接位置疲劳损伤特征

纵肋与横隔板连接是控制钢桥面板耐久性的关键构造细节,其在轮载作用下应力传递复杂,构造设计不当极易引起疲劳裂纹。目前常规式纵肋与横隔板连接在运营过程中可能发生的疲劳裂纹形式有横隔板弧形开孔裂纹、焊缝端部横隔板裂纹、焊缝端部纵肋水平裂纹或竖向裂纹,针对常规式连接的不足,设计上进一步提出内肋式和无缝式2种构造类型。采用有限元方法,以纵肋与横隔板连接可能出现裂纹的4类细节为对象,基于应力影响面分析,讨论了车辆轮载移动对各细节局部受力的影响,研究了常规式、内肋式和无缝式3种构造类型的疲劳损伤特征。结果表明：轮载作用下4类细节的局部效应非常显著,纵向影响区域约在3道横隔板之间,横向影响区域约在2个纵肋范围;考虑轮迹横向概率分布,各细节应力幅横向折减系数在0.94~0.97范围内。常规式连接弧形开孔细节应力幅最大,主要受面内变形控制,纵肋壁板水平细节次之,表现出明显的面外弯曲特性。与常规式连接相比,内肋式连接纵肋壁板水平细节和竖向细节最大应力幅分别降低28%和29%,减缓了纵肋在焊缝端部的应力集中程度。无缝式连接可能的疲劳破坏形式减少为横隔板焊趾开裂和纵肋壁板焊趾开裂2类,分析发现这2类细节均主要处于受压状态。常规式连接疲劳寿命预估为41.2年,纵肋壁板出现水平裂纹导致疲劳破坏的可能性较大;内肋式连接疲劳寿命由横隔板弧形开孔细节控制,较常规式连接提高58%;无缝式连接疲劳寿命预估为85.3年,较常规式和内肋式连接分别提高107%和31%,且两细节寿命相近,从全寿命设计角度考虑该构造更为合理。     

U肋与横隔板焊接构造细节疲劳强度研究

为研究在车辆荷载反复作用下,正交异性钢桥面板U肋与横隔板焊缝构造细节处的疲劳强度是否满足疲劳设计要求,以九江长江公路大桥钢箱梁结构为研究对象,设计疲劳试样进行疲劳试验,得到了用于该构造细节处疲劳寿命评估的失效概率分别为50%及2.3%的应力幅~循环次数曲线,参照Eurocode 3规范,将疲劳曲线延长至长寿命区,提出适合该细节处的疲劳设计曲线及方程。依据实测车辆荷载谱及简化的有限元模型,选择合理的加载方式与荷载冲击系数,计算得到关注点的应力~时间历程曲线,并评估该构造细节的疲劳寿命。结果表明,在实测荷载谱作用下,该细节处最大应力幅值为24.49MPa,小于疲劳截止限,其疲劳强度满足疲劳设计要求。     

基于现场试验和有限元的纵肋-面板双面焊构造细节应力行为研究

纵肋-面板(rib-to-deck,简称RD)双面焊是正交异性钢桥面板制造新技术。为研究该构造细节的轮载应力特征,在某大跨度钢箱梁斜拉桥上开展了横桥向3个典型轮载工况的控制加载试验,记录了卡车缓慢移动和跑车时毗邻的多个RD构造细节的应力时程,研究了RD构造细节轮载应力行为。通过建立正交异性钢桥面板模型,开展了RD双面焊构造细节的精细化有限元分析。现场试验表明:在横桥向3个典型轮载工况中,跨肋式加载是RD构造细节最不利加载工况,此时纵肋侧和面板侧均产生最大应力幅,且面板侧大于纵肋侧;同时,RD构造细节轮载应力的局部效应显著,横桥向当构造细节距离轮载中心大于1倍纵肋中心距后,其纵肋侧和面板侧的应力幅均很小,因此可忽略卡车左右轮和相邻车道卡车并行的应力叠加效应;在纵桥向,轮载对RD构造细节的加载效应也仅局限其所在前后横隔板之间的桥面;另外,横桥向轮胎覆盖的面板下方RD构造细节,其应力时程能分辨单轴,每个车轴产生一个应力峰;否则其应力时程只能识别轴组,一辆卡车通行产生的疲劳加载次数等于卡车轴组数。有限元分析不仅得到了与现场加载试验非常一致的结果,也表明RD构造细节外侧最大应力幅均大于内侧,因此轮载作用下内侧焊焊趾的疲劳抗力高于外侧焊。故对RD双面焊构造细节,基于现场试验获得的外侧焊构造细节应力响应,能给出RD构造细节疲劳性能的合理评价。     

某桥正交异性钢桥面板结构受力分析

某桥主梁采用正交异性钢桥面板结构,为研究在轮载作用下,该桥正交异性钢桥面板受力和抗疲劳性能是否满足要求,建立该桥正交异性钢桥面板局部模型,计算轮载作用下其挠度、曲率半径和应力,并结合规范估算构造细节的疲劳强度。结果表明,在轮载作用下,桥面板主要变形区域较小,最大肋间相对挠度为0.28mm,满足限值要求,但最小曲率半径不满足规范规定;在纵向U肋、横隔板与桥面板连接处局部出现较明显的应力集中现象,且横向正应力普遍大于纵向正应力,但应力未超过限值;疲劳寿命最小的连接细节为纵肋与横梁的连接部位和横梁腹板开孔部位,应力幅值分别达77.4 MPa和127.9MPa,疲劳寿命分别为1.8×106和3.4×105次,远小于规范要求;该桥需要通过改变构造以及设计合理的桥面铺装来改善结构受力情况。     

武汉军山长江大桥超高性能混凝土组合桥面改造技术及实施效果分析

针对武汉军山长江大桥桥面铺装层损坏和正交异性钢桥面板疲劳开裂的问题,珠京方向半幅桥面改造为钢-超高性能混凝土轻型组合桥面结构,厚55 mm的超高性能混凝土(UHPC)层采用短栓钉与钢桥面板连接,与上部SMA10沥青混凝土(厚30 mm)采用环氧树脂粘结材料连接。利用ANSYS软件建立局部梁段有限元模型,进行改造前、后的疲劳细节处应力幅对比分析,并基于健康监测系统以及钢箱梁局部应变监测系统,对组合桥面改造后效果进行实时监测。结果表明:UHPC层对面板与U肋连接细节应力影响极为明显,与柔性铺装相比,应力降幅最高为86.4%,可极大降低钢桥面板的开裂风险;桥面改造后,U肋底部、顶板底部、横隔板构造细节处的应力幅值、等效应力均明显降低,可显著提高钢桥面板的疲劳寿命。     

崇启大桥环氧沥青混凝土铺装对钢桥面板疲劳应力幅的影响研究

崇启大桥是目前我国建设的最大跨度连续钢箱梁桥,采用了正交异性钢桥面板和环氧沥青混凝土铺装层。由于铺装层分散了车辆的轮载,使正交异性钢桥面板主要构造细节在使用寿命内的等效应力幅值相应折减,而国内相关规范未对这一折减作用做出规定。建立了崇启大桥正交异性钢桥面板及其铺装层的有限元模型,计算了不同环境温度下正交异性钢桥面板主要构造细节的应力循环特征,依据Miner线性累积损伤准则,分析了环氧沥青铺装对等效应力幅的折减作用,得出了应力幅折减系数。     

随机车流下钢-UHPC组合正交异性桥面疲劳性能研究

为获得钢-UHPC组合铺装正交异性桥面板构造细节轮载作用下的响应特征,准确评价随机车流下其疲劳敏感构造细节的疲劳性能,以佛陈扩建西幅桥为例,开展了钢-UHPC组合铺装正交异性钢桥面板全部构造细节的应力监测试验。利用7d连续记录的应力时程和雨流计数法获得了构造细节的应力谱;基于Miner疲劳损伤等效原则计算得到了最大应力幅、等效应力幅及疲劳加载次数。结果表明:当构造细节位于轮载正下方时,通行货车每个车轴将在面板上的构造细节中产生1个应力循环,但其他构造细节只能由每个轴组产生1个应力循环;钢-UHPC组合铺装虽并未改变正交异性钢桥面板构造细节轮载作用下明显的局部效应特征,但增大了正交异性钢桥面板的刚度,使得横隔板弧形切口的面外应力减小;其显著降低了面板上构造细节的应力幅,使得纵肋-面板焊缝构造细节和面板对接焊缝构造细节所记录到的最大应力幅均小于常幅疲劳极限;基于AASHTO规范开展的疲劳评价表明,在当前交通流下,佛陈扩建西幅桥钢-UHPC组合铺装正交异性钢桥面板全部构造细节具有足够的疲劳强度。     

钢-STC轻型组合桥面结构多参数分析

为综合研究STC层厚度、隔板厚度、栓钉间距对轻型组合桥面结构疲劳性能的影响,分析各参数间的协作性,得到基于该3种参数下轻型组合桥面结构的综合优化设计参数。以某大桥为工程背景,建立ANSYS局部有限元模型,对不同STC厚度、隔板厚度、栓钉间距情形下,钢桥面典型易疲劳开裂细节进行应力幅计算,并采用名义应力法对计算结果进行评估。基于有限元分析结果,得出以下结论:轻型组合桥面结构可以大幅提高钢桥面板的局部刚度,但对于整体刚度的贡献有限。各设计参数下的轻型组合桥面结构,对面板与U肋连接细节应力幅的改善作用均很大,而对其他细节改善作用则相对较小,U肋与隔板交叉处隔板裂纹细节为轻型组合桥面结构的开裂控制细节;STC层厚度由45 mm增加到60 mm可进一步降低钢桥面各疲劳细节应力幅;隔板变厚对U肋与横隔板交叉处隔板裂纹细节、U肋下缘对接焊缝细节应力幅改善较大,降幅为20%~29%;栓钉变密对U肋与横隔板交叉部位、弧形切口处细节改善作用明显,应力幅降低22.01%~27.96%;模拟的12种轻型组合桥面结构方案中,有7种方案的典型疲劳细节均满足疲劳强度设计要求,有一种方案理论上基本不会疲劳开裂。     

新型UHPC—大纵肋波折板正交异性桥面板疲劳性能研究

新型UHPC—大纵肋波折板正交异性桥面板取消了顶板与纵肋焊缝,减少了横隔板与纵肋焊缝,为改善正交异性钢桥面板控制部位的疲劳性能提供了一个有效新途径。然而,由于波折板与横隔板保留横向焊缝,其疲劳风险仍然可能存在,故针对纵肋与横隔板位置的关键疲劳细节,采用数值分析并结合热点应力法对各参数影响下的轮载应力幅和疲劳寿命进行评估验证。结果表明,新型组合桥面板的大纵肋波折钢板及横隔板的疲劳寿命主要受弧形切口顶应力幅控制,施工时应加强切口打磨质量,防止疲劳开裂。另外,UHPC板厚增大、横隔板间距减小以及横隔板厚度加大时,各疲劳细节应力幅均有减小趋势,但加大纵肋高度或填充混凝土补强纵肋后,其各疲劳细节应力幅增减趋势并不一致。通过合理参数设计可使得各疲劳细节应力幅趋势均匀,获得优异的抗疲劳性能。     

钢箱梁面板-纵向腹板构造细节轮载应力的参数分析

为研究轮载作用下结构参数对钢箱梁桥面板-纵向腹板构造细节应力响应的影响,建立了带纵向腹板的正交异性钢桥面板有限元模型,并基于我国规范对疲劳车模型开展了研究。首先针对轮载在横桥向的5种典型位置,通过每种位置轮载的顺桥向移动,获得了面板-纵向腹板构造细节及其附近面板-纵肋构造细节的应力响应,通过对比分析确定了面板-纵向腹板构造细节的最不利轮载工况。然后,在该最不利轮载工况下,分析了纵向腹板3个主要设计参数变化对面板-纵向腹板构造细节的应力响应影响。研究表明:与其他横桥向轮载位置相比,当轮载中心位于纵向腹板正上方时,面板-纵向腹板构造细节的面板侧将产生最大的应力响应;纵向腹板与相邻纵肋腹板间距的变化对该构造细节的应力影响显著,但纵向腹板厚度及其与面板间的夹角对该构造细节的应力影响很小;基于传统的正交异性钢桥面板设计,纵向腹板的厚度可为12 mm,其与相邻闭口纵肋腹板的间距建议不大于150 mm,而纵向腹板宜与面板成正T形或接近正T形焊接。基于构造细节最不利轮载工况开展的有限元分析表明:采用上述建议结构参数设计的面板-纵向腹板构造细节,能有效降低该构造细节的应力,因而能提高其疲劳性能。     

基于健康监测的自锚式悬索桥钢箱梁细节疲劳可靠度研究

为了研究大跨度自锚式悬索桥的钢箱梁构造细节在随机荷载作用下的疲劳可靠度,以国内最大跨度的独塔自锚式悬索桥平胜大桥为工程背景,在健康监测应力数据的基础上,采用疲劳可靠度理论对其钢箱梁桥面板构造细节疲劳性能进行了研究。首先基于Palmegren-Miner线性累积损伤准则建立了疲劳可靠度的极限状态方程,其次基于平胜大桥健康监测的典型应力和温度数据建立了疲劳应力谱,最后分析了不同交通量增长系数下平胜大桥钢箱梁细节疲劳可靠度。研究结果表明:平胜大桥钢箱梁的应力数据具有低应力和高循环的特点,可基于Erucode规范和等效损伤得出等效应力幅值;平胜大桥钢箱梁细节疲劳可靠指标为5.274;当交通量增长系数分别为0、0.1和0.2时,平胜大桥钢箱梁细节疲劳可靠指标在100 a后分别下降为2.305、1.681和1.395;交通量增长系数在前期对疲劳可靠指标的影响较小,而后期对疲劳可靠指标的影响较大。     

2种弧形切口对RF构造细节疲劳性能影响的现场监测

现场监测能真实反映结构的构造细节、边界约束和桥面加载条件,是正交异性钢桥面板疲劳评价最合理有效的方法之一。基于某正交异性桥面板钢箱梁桥,通过监测随机车流下同一车道紧邻的2个横隔板上疲劳敏感构造细节的应力响应时程,对比2种不同弧形切口正交异性钢桥面板构造细节的应力响应;通过雨流计数法获取构造细节应力谱,再基于米勒线性累积损伤准则计算疲劳等效应力幅和等效加载次数;最后基于AASHTO LRFD规范条文计算相关构造细节的疲劳寿命。研究结果表明:横隔板弧形切口构造细节总应力是面内应力分量主导,小弧形切口峰值应力时面外应力对总应力的比不大于23%,而大弧形切口仅略减小到20%,但大弧形切口削弱了横隔板腹板,使得传递面内竖向应力的面积减小,反而增大了弧形切口构造细节的应力,因而大弧形切口构造细节的疲劳寿命仅为10.6年,低于小弧形切口的14.2年;对纵肋-横隔板(Rib-to-floorbeam,RF)焊缝构造细节而言,大弧形切口减轻了RF之间的相互约束,能一定程度减小RF纵肋侧和RF横隔板侧的应力响应;但增大了RF围焊处因弯曲产生的压应力,从而导致横向泊松效应在该构造细节处产生大的二次应力;采用小弧形切口时估计的纵肋-横隔板焊缝构造细节的疲劳寿命大于100年,而采用大弧形切口对应寿命仅为31年。研究结果可为正交异性钢桥面板抗疲劳设计和加固提供有益的参考。     

钢箱梁横隔板弧形切口疲劳性能及构造优化研究

横隔板弧形切口处疲劳开裂是钢箱梁的主要疲劳病害之一,为提高该细节的疲劳性能,确定其合理构造形式,以某悬索桥(加劲梁采用钢箱梁)为背景,建立钢箱梁节段有限元模型进行疲劳应力分析,基于P-M线性积伤律和Eurocode 3提供的S~N曲线计算其疲劳寿命,比较6种国内外常用弧形切口的疲劳性能,并分析切口半径和横隔板厚度对疲劳应力的影响。结果表明:轮载作用下横隔板弧形切口处存在明显的拉、压应力集中区;疲劳裂纹萌生于压应力集中区,裂纹扩展方向与主压应力方向基本垂直;弧形切口的形式显著影响其疲劳性能,国内外典型孔型中,圆弧+直线方案(孔型4)为刚性横隔板弧形切口的最佳孔型;适当增加孔型4的切口半径和横隔板厚度有利于提高其疲劳寿命,增加切口半径较增加板厚效果更好。     

ERS铺装对钢桥面板疲劳应力影响的测试与分析

为研究树脂沥青组合体系(ERS)铺装对钢桥面板疲劳应力的影响,开展钢箱梁桥面板现场试验研究。采用总重200 k N的两轴卡车加载,铺装前后分别进行了390个静力工况测试,获取了铺装前后的钢桥面板典型细节应力响应面与响应线。基于现场测试数据建立钢桥面板有限元模型,研究了气温和铺装厚度变化对典型细节疲劳应力的影响。运营期间对钢桥面板进行长期动应变监测,分别选取不同季节连续24 h内实测应力谱进行应力幅分析与疲劳损伤评估。结果表明:ERS铺装使得钢桥面板疲劳应力水平降低7.1%~46.5%,对纵肋与顶板连接细节影响最大;气温和铺装厚度的变化对不同细节疲劳应力的影响差异显著;相同车流作用下冬季实测峰值应力幅约为夏季的50%,秋季峰值应力幅约为夏季的70%;夏季产生的疲劳损伤是秋季的2.5倍,是冬季的15倍以上,建议钢桥面板疲劳验算或评估时充分考虑桥面铺装温度和厚度的影响。     

装配式钢-UHPC组合桥面板试设计及性能研究

针对钢-UHPC组合桥面板使用传统机械剪力连接件的不足,提出一种装配式钢-UHPC组合桥面板。为给该装配式组合桥面板的设计和应用提供依据,以国内某大跨度扁平钢箱梁桥为依托,将该桥钢桥面板改为装配式钢-UHPC组合桥面板进行试设计,并采用ANSYS建立主梁节段空间有限元模型,对试设计的装配式组合桥面板的受力性能进行研究。研究结果表明:装配式组合桥面板中,UHPC层的横桥向拉应力和粘结层的横桥向剪应力是结构计算的控制指标;在装配式组合桥面板结构中,UHPC层受到的最大拉应力为10.87 MPa,粘结层受到的最大剪应力为0.97 MPa,材料均能满足结构的受力要求;装配式组合桥面板的钢面板最不利构造细节的最大应力幅仅为纯钢桥面板的1/5,说明装配式组合桥面板结构可满足实际桥梁需求且可有效地避免纯钢桥面疲劳开裂等病害。