高速铁路钢桥的疲劳问题及构造处理

介绍日本高速铁路钢桥疲劳设计中的一些构造考虑，疲劳损伤实例及其结构处理。     

钢桥疲劳设计方法研究

分析了引起钢桥疲劳的各种原因，并对目前国际上最新抗疲劳设计方法作了进一步讨论，对我国钢桥设计将起到一定的推动作用。     

钢桥疲劳分析基本理论综述

疲劳是钢材在重复荷载所引起的反复应力作用下，在材料传力途径有局部缺陷或疵点处逐渐形成裂纹并扩展到断裂的一种行为。由于桥梁应用材料科学理论发展的不完善、材料本身的缺陷、施工技术、施工方法、施工质量问题、车辆超载等方方面面的原因，许多桥梁都发生了疲劳破坏。因此本文对钢桥疲劳验算采用的荷载及加载方式和疲劳分析方法作了一些探讨和研究。     

谈谈钢桥的疲劳和断裂

介绍作者多年来在钢桥疲劳和断裂方面的工作成果,以及对我国钢桥疲劳和断裂问题的看法和建议,主要涉及以下方面:在1980年之前,我们是以σmax表达钢构造的疲劳强度(抗力);从回归线可以看到不同因素对疲劳致伤次数N的影响是否显著;美国NCHRP第102号及147号报告的完成条件,其所讲疲劳试验及分析结果;在疲劳开裂点,其因车辆荷载所产生的应力谱,以及疲劳验算基本原理;AASHTO 1994年版荷载与抗力系数法桥梁设计规范和我国TB 10002.2-2005规范;在设计规范之中,可以将疲劳和断裂归并为同一类极限状态,并将脆断当做断裂的一种;为防止疲劳和断裂,必须慎微;请以"先进、实用、简明"为原则,先为时速≤140 km/h的标准轨距铁路拟订一钢桥设计规范.     

公路钢桥疲劳设计曲线参数研究

以计算机模拟变幅应力的方法，分析了公路钢桥的疲劳设计曲线的参数。应用常幅疲劳试验的ｄａ／ｄＮ－ΔＫ关系和线性积伤律估算了四种焊接接头的裂纹扩展寿命。疲劳寿命曲线形状在变幅应力时随交通状况和梁跨面变化，万代在长寿命区。通过应用估算的疲劳寿命曲线和梅钠法则，就能确定变幅应力下两种接头的疲劳极限。     

钢桥疲劳设计方法研究

分析了引起钢桥疲劳的各种原因,并对目前国际上最新抗疲劳设计方法作了进一步讨论,对我国钢桥设计将起到一定的推动作用.     

铁路钢桥疲劳损伤概率分析

首先介绍了钢桥疲劳剩余寿命评估的常规方法及其缺陷，这种缺陷可以由可靠度方法弥补。随后推导出在材料疲劳曲线已知、疲劳曲线的概率分布已知以及给定疲劳曲线可靠度等3种可能条件下相应的计算结构疲劳损伤度概率的公式。最后结合实例，将概率方法与常规方法的评估结果进行了比较。     

正交异性钢桥面板纵肋与横隔板交叉构造细节疲劳开裂快速加固方法

为研究钢桥面板疲劳开裂局部区域引入钢或高性能材料加固构件的装配式加固方法,以钢桥面板纵肋与横隔板交叉构造细节为研究对象,采用足尺模型试验对钢桥面板纵肋与横隔板交叉构造细节疲劳性能劣化及其疲劳开裂的栓接角钢装配式快速加固相关关键问题进行了试验和理论研究;基于断裂力学探究了纵肋与横隔板交叉构造细节三维疲劳裂纹的扩展特性、疲劳寿命预测及装配式快速加固方法的加固效果。研究结果表明：纵肋与横隔板交叉构造细节的疲劳裂纹萌生于焊趾并沿纵肋腹板进行扩展,其对结构力学特性的影响范围和程度随着裂纹的扩展而逐步加剧;加固后相应开裂部位关键测点和裂尖各测点的应力应变降幅分别达57%和80%,装配式加固构件与既有结构协同受力性能良好,能够有效抑制局部疲劳裂纹扩展;数值断裂力学分析表明,加固后裂尖应力强度因子降幅达90%,可有效抑制疲劳裂纹的进一步扩展。     

杨浦大桥钢箱梁疲劳应力监测及寿命分析

针对杨浦大桥钢箱梁,进行了疲劳应力的监测分析和疲劳寿命的预测研究.利用实桥布设的应变传感器获取应变时程数据,处理成应力时程数据后,结合雨滴计数法技术,得到日应力谱,并通过相关统计分析得到了标准日应力谱.利用标准日应力谱数据和相关疲劳规范,研究了杨浦大桥钢箱梁的疲劳寿命等问题.研究结果表明,由于车辆荷栽谱或有限元模型均存在大量的假定简化,利用记录的应变(应力)时程数据进行疲劳寿命评估,为准确可靠的研究方法;主梁最容易发生疲劳破坏的部位是各个构造细部,因为在构造细部处往往会产生应力集中,使该处应力远高于构件其他部位;根据相关疲劳规范,杨浦大桥钢箱梁角焊缝具有良好的抗疲劳性能,不会由于疲劳受力而破坏.     

现代公路钢桥典型细节疲劳问题分析

疲劳是导致钢桥使用寿命缩短的主要因素之一,在设计、制造、架设及后期维护中需特别注意钢桥构造细节的疲劳问题.在对疲劳荷载谱、疲劳损伤累积理论和焊接钢桥疲劳薄弱部位等分析的基础上,总结了焊接钢桥疲劳分析中需注意的一些问题.结合近些年来我国大跨径公路钢桥的建造情况,根据对部分关键构造细节所进行的疲劳试验结果,分析了几种新型结构型式和制造工艺中所存在的疲劳问题.最后总结了防止钢桥疲劳破坏的方法,指出了目前我国钢桥疲劳研究中存在的一些问题.这对有效防止钢桥疲劳破坏事故的发生,提高我国钢桥的设计和制造水平具有重要的意义.     

江阴长江大桥钢箱梁疲劳应力监测及寿命分析

针对江阴长江大桥钢箱梁,进行了疲劳应力的监测分析和疲劳寿命的预测研究。利用实桥布设的应变传感器获取应变时程数据,处理成应力时程数据并结合雨流计数法技术,得到“日应力谱”和“标准日应力谱”。根据相关疲劳规范,研究了钢箱梁的疲劳寿命等问题。结果表明,由于车辆荷载谱或有限元模型均存在大量的假定简化,利用记录的应变（应力）时程数据进行疲劳寿命评估,为准确可靠的研究方法;应变传感器记录分析得到的日应力谱具有相似规律,“标准日应力谱”方法可以有效地处理应变传感器记录的大量实测数据。     

焊接钢桥腹板出平面变形疲劳问题的有限元分析

焊接钢桥的腹板在交通荷载作用下产生的出平面变形可以导致腹板空隙处的疲劳开裂,为了分析导致腹板空隙处疲劳开裂的位置、形式以及原因,对一座钢桥的一跨建立了三维有限元模型,并采用了子模型方法对腹板空隙处进行了细致的分析,得到腹板空隙处的应力水平和分布规律。通过分析得到焊接钢桥腹板出平面变形导致腹板空隙处的应力十分复杂,造成多个区域的应力集中。在AASHTO疲劳车的作用下,腹板空隙处的最大应力可以达到200MPa,这样就导致在交通荷栽的反复作用下疲劳裂纹的产生,同时对相应的维修加固策略进行了探讨。研究也显示出了有限元方法分析复杂区域的优越性。     

铁路钢板梁桥疲劳及剩余寿命分析

在列车荷载作用下,铁路钢板梁桥的腹板间隙处因面外变形容易产生疲劳裂纹,影响桥梁使用安全与剩余疲劳寿命.对某铁路钢板梁桥采用ANSYS进行全桥仿真模拟,通过计算模型计算出关键部位在列车荷载下的应力历程,并与实测结果进行对比分析;并利用S～N曲线、线性累积损伤理论对各个测点的疲劳寿命进行评估.计算和分析结果表明,腹板间隙处...     

横隔板间距对钢桥面板疲劳应力幅的影响

根据国内外钢箱梁的设计经验,选取3种不同的横隔板设置形式,通过有限元方法建立钢箱梁的空间有限元模型,计算横隔板与U肋相交的桥面板、U形加劲肋的对接处、横隔板过焊孔处等4种构造细节在车轮荷栽作用下的应力幅,得出横隔板设置形式对桥面板疲劳应力幅的影响.     

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...     

大跨径钢桥铺装组合结构疲劳性能研究

由于钢桥面的特殊结构,常用疲劳试验装置不能很好地模拟桥面铺装的疲劳破坏模式。为了正确评价桥面铺装沥青混合料的疲劳性能,通过有限元分析,建立钢桥面铺装最不利荷载模型,检验各铺装结构的抗疲劳性能。根据有限元分析模型提出了进行钢桥面铺装组合结构疲劳试验的室内疲劳试验模型。按照模型尺寸加工了试验装置,并对常用的3种桥面铺装组合结构进行了疲劳试验验证,试验结果与3种铺装组合结构在实体工程中的使用寿命基本吻合。     

大跨径斜拉桥钢结构疲劳监测与评估

以某大跨径斜拉桥为研究背景,基于钢箱梁的定期检测结果,研究了该斜拉桥的钢结构疲劳性能。在疲劳开裂较严重的顶板与U肋焊接细节、关键受力部位的底板与U肋焊接细节、索梁锚固区焊接细节布置传感器,测试各主要焊接细节的疲劳应力历程,基于雨流计数法获得疲劳应力谱。分析结果表明:苏通大桥目前的交通流量远大于2010年前的交通流量;钢箱梁底板与U肋焊接细节、索梁锚固区锚固板与外腹板焊接细节的疲劳寿命评估结果大于设计使用年限;若不计焊接初始缺陷与焊接残余应力,顶板与U肋焊接细节不会过早地发生疲劳破坏。