混合梁斜拉桥锚拉板主焊缝焊接过程数值分析

为探索锚拉板结构焊缝的焊接温度场和残余应力分布规律,以赣江特大桥(主跨300m的双塔混合梁斜拉桥)为背景工程,采用ANSYS软件建立中跨主梁边腹板与锚拉板主板连接部分焊缝的有限元模型,基于热-结构耦合分析方法和生死单元技术,对焊缝焊接温度场和应力进行分析。结果表明:施焊过程中,熔池金属的温度超过了钢材熔点,熔池前方的温度梯度较陡,熔池后方的温度梯度较缓;施焊前焊缝区域应力水平低,施焊中熔池区域应力为0,临近熔池区域存在压应力、远离熔池区域存在拉应力,焊后冷却时,熔池区域存在拉应力,而其他位置存在压应力;焊后残余应力水平较高,最大残余应力接近钢材的屈服强度,焊缝区域受力状态不利,在设计施工与后期运营中应予以特别重视。     

公路斜拉桥中焊接残余应力的减小与消除的探析

公路斜拉桥锚拉板的焊接残余应力对锚拉板的疲劳寿命产生直接影响,对斜拉桥的使用寿命起决定作用,因此研究如何减小和消除公路斜拉桥锚拉板焊接残余应力具有重要意义。运用超声冲击设备,对斜拉桥锚拉板适用Q370qe钢材焊接热影响区实施超声冲击试验,采用盲孔法检测超声冲击前后热影响区的应力,通过探讨热影响区焊接残余应力在不同超声冲击处理工艺下产生的改变,并分析其规律,继而为斜拉桥锚拉板的生产制造提供有效建议。试验结果表明,超声冲击处理可以把Q370qe钢板焊接残余拉应力转变成压应力,对斜拉桥锚拉板焊接残余应力的减小和消除有比较好的成效;在冲击时间不变的情况下,增加冲击电流可以增大冲击力,使得残余应力焊接热影响区塑性变形和位错结构改变增大,继而消减率随之增加,但是增加的速度减缓;在冲击电流不变的情况下,冲击时间增加,消减率没有显著的变化规律。     

斜拉桥锚拉板焊接残余应力试验研究

斜拉桥锚拉板残余应力直接影响其疲劳寿命,它是决定斜拉桥使用年限的关键因素之一。首先制作了斜拉桥锚拉板比例缩尺模型,然后采取磁测法和盲孔法分别对模型进行残余应力测量。结果表明,采用磁测法与盲孔法测得残余应力的误差在5%以内,进而得到无损磁测法残余应力分析的适用性并得出了其适用范围;随后选取斜拉桥三个典型的足尺锚拉板,研究了其焊接残余应力的大小及分布规律,对全桥的残余应力情况做出了评估。研究结论对实际同类桥梁的设计和施工具有重要的指导意义。     

随机车辆荷载作用下斜拉桥索梁锚固区疲劳性能分析

为探讨大跨斜拉桥锚拉板结构在随机车辆荷载作用下的疲劳性能,以西固黄河大桥为工程背景,利用大型通用有限元分析软件ANSYS建立了西固黄河大桥整体有限元模型,以及锚拉板的局部有限元模型,在随机车辆荷载作用下对其锚拉板结构的应力状况和疲劳性能进行了分析研究。分析结果表明,移动荷载作用下在锚拉板与锚拉管连接焊缝端部引起的应力值最大,其余焊缝的应力水平较低;对不同路径的数值分析显示,锚拉管中部出现残余应力最大值,达到230MPa,锚拉管两端的的残余应力值较小;锚拉板关键点3和关键点6的应力比其他关键点的大,说明锚拉板与锚拉管焊接端部疲劳问题较其他位置突出,在设计中应予以足够重视。     

斜拉桥钢锚拉板区域焊接应力消除试验研究

对重庆江津观音岩大桥索梁锚固区域部分进行了3个足尺比例试件的焊接残余应力测试,并对其焊缝进行了超声波冲击试验,以研究超声波冲击对钢锚拉板区域各焊缝应力的影响情况。测试和试验研究结果表明,钢锚拉板区域各焊缝存在着相当大的焊接残余应力,特别是在平行于焊缝长度方向的应力,不少测点已接近屈服强度。通过采用超声波冲击工艺,大幅度地减小和消除了该区域的焊缝残余拉应力,3个试验试件的各焊缝在平行和垂直于焊缝长度方向的应力平均下降50%以上,最大的下降96.5%,不少测点应力已由拉应力变为了压应力,有效地改善了应力的状态,从而使结构的受力更合理,应力分布趋于均匀。超声波冲击可以作为一种解决斜拉桥桥钢锚拉板区域焊接应力过大问题的有效的方法,对提高接头的疲劳寿命有明显作用。     

钢桥面横隔板与U肋焊接处残余应力场分析

为了解正交异性钢桥面板横隔板与U肋焊接处残余应力分布特征,明确横隔板弧形切口疲劳开裂机理,采用热-结构耦合方法建立横隔板-U肋焊接连接的热弹塑性有限元模型,通过"生死单元"技术模拟焊缝的填充过程,得到焊接温度场与应力场,分析横隔板焊缝和弧形切口处残余应力的分布规律。结果表明:横隔板焊趾处纵向残余应力为拉应力,峰值为345 MPa,横向残余应力在焊缝开始位置和尾部区域为拉应力,在焊缝中间应力水平较低;横隔板弧形切口附近残余应力变化剧烈,且沿切口弧线长度和钢板厚度分布不均匀;从切口顶点到起弧点位置,残余应力从压应力变化为拉应力,起弧点处应力峰值为231 MPa;焊接引起的焊缝尾部高水平残余应力是导致横隔板弧形切口疲劳开裂的关键因素。     

厦漳大桥(南汊)锚拉板焊接残余应力有限元分析

为了得到焊接残余应力的分布,确保结构安全,对厦漳大桥(南汊)锚拉板P3焊缝焊接残余应力进行研究,应用三维有限元分析方法及高斯热源函数,结合单元生死技术模拟焊道焊接过程,分析焊接过程中的温度分布和应力分布,以及冷却后的残余应力。     

斜拉索锚拉板局部应力分析

对某组合梁斜拉桥拉索锚拉板建立空间块体有限元模型进行局部应力分析,并与实测应力结果进行比较,验证模型的正确性。以此模型分析结构的应力分布规律,对最大索力值状态下的锚拉板应力进行验算与评估。     

公路斜拉桥焊接残余应力的减小与消除的技术策略

以重庆某大桥工程为背景,采用有限元分析软件ANSYS,研究钢箱梁正交异性板单元纵向U型肋板的焊接工艺对大跨度钢箱梁斜拉桥的焊接残余应力的影响。实践证明:需要保证温度场在焊接过程中的合理分布,首条焊缝与焊接温度场分布具有类似性,如果升温,此时将得到焊缝在焊接过程中稳定温度场的最高温度范围1 994～2 008℃,波动范围为0. 71%。焊接等效残余应力主要在焊缝区集中,最大等效应力为439 MPa;在焊接终止点和起始点附近,个别区域仅出现压应力,拉应力未出现。在实际生产中,总共要进行完整板单元的八条焊缝的焊接,所以,此时将会出现更大程度的上翘现象,所以需要结合有效的矫正措施应用在实际生产过程中,确保处理过程的正常推进。     

持荷状态下大尺度钢管拱肋拼接焊缝焊接残余应力分析

为研究持荷作用对大尺度钢管拱肋拼接焊缝残余应力的影响,以及大尺度焊缝焊接残余应力的分布规律,以主跨575 m的特大跨钢管混凝土拱桥——广西平南三桥为背景进行分析。开展持荷状态下拱肋拼接焊缝残余应力足尺模型试验与数值模拟,分析拱肋拼接焊缝试件轴向、环向焊接残余应力分布情况,并与非持荷状态试件进行对比。结果表明：持荷作用对钢管拱肋拼接焊缝焊接残余应力的影响较小,但管内节点处肋板的设置会对钢管拱肋拼接焊缝残余应力产生较大影响;拼接节点处的轴向焊接残余应力以拉应力为主,沿拱肋主管轴向先增大后减小,最终趋于稳定;拼接节点处的环向焊接残余应力沿主管环向拉-压交替分布,拉应力分布在离焊缝较近区域与肋板影响区域,压应力主要分布在肋板之间区域。     

大跨径斜拉桥锚拉板受力特征及结构优化研究

锚拉板式钢结构索梁锚固构造广泛应用在大跨径斜拉桥中。传统锚拉板焊缝末端圆弧过渡段处及锚管末端存在较大的应力集中现象,易形成塑性区,从而引起受拉破坏。为了进一步明确大跨径斜拉桥锚拉板的受力规律,以我国西南地区某跨径组合为200 m+480 m+200 m的双塔三跨组合梁斜拉桥为背景,建立有限元计算模型,对传统构造的锚拉板应力和优化后锚拉板应力进行对比分析研究。结果表明,改进后的构造对改善锚拉板主要板件的受力及解决圆弧过渡段及锚管末端应力集中问题具有显著作用。同时,对优化后的构造围绕锚拉板圆弧过渡段的半径、锚管长度、中部空间长度和后锚拉板长度进行了参数敏感性分析,提出了进一步解决锚拉板应力集中问题的方法,可有效保证锚拉板结构的受力安全。     

组合式锚拉板索梁锚固构造在混凝土斜拉桥中的应用研究

为了解组合式锚拉板索梁锚固构造在混凝土斜拉桥中的受力特性,以某(34+81+115)m跨铁路斜拉桥为背景进行研究。该构造由钢拉板、预埋混凝土梁内的工字型钢构成,工字型钢与混凝土采用PBL键及剪力钉连接。采用有限元软件,建立锚拉板及索梁锚固区有限元数值模型,分析了钢拉板、锚固区混凝土、预埋工字型钢的受力状态,并通过模型试验验证了关键焊缝的抗疲劳性能。结果表明:钢锚拉板与锚拉筒连接焊缝圆弧过渡处附近有较明显的应力集中现象;锚固段混凝土顶部(第一排PBL键以上至梁顶范围)主拉应力较大,超出混凝土的抗拉强度;各主要焊缝疲劳试验均没有发现宏观裂纹,满足抗疲劳设计要求;该构造为混凝土斜拉桥索梁锚固提供了一种解决方案。     

钢桥面板U肋焊接残余应力影响因素分析

为了进行钢桥面板U肋焊接残余应力精确计算及影响因素定量分析,以星海湾跨海大桥钢桥面板U肋为研究对象,在ABAQUS有限元软件中,建立钢桥面板U肋局部模型,通过自编的Dflux子程序,进行双椭球热源的加载,模拟V型坡口焊的焊接过程,得到顶板与U肋板残余应力分布,从而研究顶板板厚与焊接坡口角度2种因素对U肋焊接残余应力的影响。结果表明:本文的分析方法得到的焊接残余应力计算结果与前人试验数据结果对比,两者吻合较好,本文分析方法有效;顶板与U肋板在靠近焊缝处都出现最大残余拉应力,且均超过材料的屈服极限;随着顶板板厚增大,顶板与U肋板的残余拉应力峰值增大;而随着坡口角度增大,顶板与U肋板的残余拉应力峰值则减小。     

考虑热点应力的单索面斜拉桥正交异性钢桥面板疲劳性能研究

正交异性钢桥面板因其抗震性能好、施工进度快等优点在现代大跨径桥梁建设工程中得到广泛应用,但同时又因其复杂的构造和传力路径,使焊接处在往复车辆荷载作用下产生严重的局部应力集中,最终导致疲劳损伤降低使用寿命。广泛存在于焊接结构内部的焊接残余应力在疲劳荷载作用下,会通过降低疲劳强度储备并促进初始裂纹的扩展严重影响结构的疲劳性能,进而降低结构的疲劳寿命,因此在正交异性钢桥面板的疲劳性能研究过程中应充分考虑到焊接残余应力的影响。以南京某单索面斜拉桥为背景工程,运用ANSYS有限元分析软件对该桥进行了多尺度建模分析。通过钢箱梁节段模型分析,分析横纵桥向应力影响范围为横桥向5个U肋×纵桥向2个横隔板间距,并根据规范中的车载疲劳模型Ⅲ确定了在疲劳细节正上方时加载为最不利加载工况。同时应用子模型技术法建立了精细实体模型,讨论了网格尺寸对应力分布与热点应力值的影响。最后得出厚度方向网格层数增至4层时对应的焊趾应力已达到数值收敛,外推区应力差值结果较为稳定,对于Solid95单元模型,厚度方向适合划分4层单元。     

基于健康监测数据的斜拉桥索梁锚固区焊缝疲劳萌生寿命预测

针对斜拉桥在通车运营不久就萌生疲劳裂纹的现象，以苏通长江大桥为工程背景，在建立焊接细节精细化有限元模型、分析焊接细节缺口应力集中系数和疲劳缺口系数的基础上，基于健康监测实测数据和局部应力应变法理论对索梁锚固区焊接细节处的疲劳裂纹萌生寿命进行预测。考虑到索梁锚固区焊接细节存在高值残余应力，分析了焊接残余应力对焊接细节疲劳裂纹萌生寿命的影响。研究结果表明，与下锚固板相连外腹板焊趾处的疲劳裂纹萌生寿命短于与上锚固板相连外腹板焊趾处的疲劳裂纹萌生寿命；焊接残余应力对疲劳裂纹萌生寿命的影响较大；考虑残余应力的疲劳裂纹萌生寿命较不计残余应力的疲劳裂纹萌生寿命下降60%左右。     

钢桥面板疲劳裂纹耦合扩展机理的数值断裂力学模拟

为研究钢桥面板疲劳裂纹耦合扩展机理,建立焊接分析有限元模型,对纵肋-顶板连接细节、纵肋-横隔板连接细节的焊接全过程进行数值模拟,基于扩展有限元方法建立钢桥面板数值断裂力学模型,对疲劳敏感细节裂纹静、动态扩展行为进行分析。焊接过程分析结果表明:纵肋-顶板连接焊缝区域、纵肋-横隔板焊缝端部区域均存在较大的残余拉应力,峰值接近钢材屈服强度;横隔板挖孔边缘存在切向残余拉应力,峰值约为200 MPa。疲劳裂纹扩展行为分析结果表明:纵肋-顶板连接细节在车辆荷载单独作用下以受压为主,考虑残余应力场作用后细节处于拉-拉应力状态,疲劳裂纹为Ⅰ型主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹;车辆偏载作用下纵肋产生扭转变形,计入残余应力后纵肋-横隔板连接焊缝焊趾受拉开裂,萌生于纵肋焊趾、向纵肋腹板扩展的疲劳裂纹为Ⅰ型主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹,萌生于纵肋-横隔板连接焊缝横隔板侧焊趾和横隔板挖孔边缘的疲劳裂纹为Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹;纵肋对接细节的疲劳裂纹为Ⅰ型裂纹,车辆荷载作用下以受拉为主,位于纵肋底板弧形过渡区的裂纹相较于纵肋底板中间区域具备更强的扩展能力。     

钢桁梁桥整体节点焊接残余应力试验

为研究东江大桥整体节点焊接残余应力的大小及分布规律,采用与实桥相同的焊接工艺制作了实桥E16节点的1∶1足尺模型,用盲孔法对该节点模型各主要焊缝的残余应力大小与分布进行了测试。结果表明:对于整体节点而言,焊接过程会产生很大的残余应力,其最大值接近材料的屈服强度;在焊缝区域,沿焊缝垂线方向,纵向残余应力均呈压应力-拉应力-压应力交替分布,规律明显,在焊缝中心处为最大拉残余应力;在不等厚对接焊区域,厚板一侧的残余应力大于薄板一侧;打磨和钻螺栓孔可以对残余应力起到释放作用;研究结论可为制定消除整体节点焊接残余应力的措施提供依据。     

钢箱梁横隔板-U肋交接处割焊残余应力分析

为研究钢箱梁正交异性桥面板横隔板与U肋交接处的残余应力分布规律,采用Abaqus有限元软件模拟横隔板的热切割和焊接过程,分析横隔板与U肋交接处热残余应力的分布特征,探讨切割速度和焊接速度对横隔板弧形切口处残余应力的影响。结果表明:横隔板弧形切口处产生切向残余拉应力,其值超过钢材屈服强度;焊接在横隔板与U肋焊接区局部范围引起沿焊缝方向的残余拉应力,且焊缝尾端的应力集中更为明显;弧形切口残余应力区宽度随切割速度的增加而减小,残余拉应力随焊接速度的增加而增大;选用较快的横隔板切割速度和较慢的焊接速度可减小弧形切口处残余应力分布宽度和应力值。     

锚拉板式索梁锚固区足尺模型承载性能试验研究

为了研究锚拉板式索梁锚固结构在设计荷载下的应力分布及传力机理,对某斜拉桥锚拉板式索梁锚固区进行了足尺模型静力加载试验,得到各受力区域在不同荷载等级下的应力分布情况;利用ABAQUS建立索梁锚固有限元模型,按Von Mises强度理论分析其承载性能,并与试验结果对比。结果表明:在设计荷载作用下,该结构整体处于弹性工作状态,满足设计承载能力的要求;锚拉板与锚拉筒的侧焊缝根部圆弧区出现较大应力集中;上加劲板以上的锚拉板部分,最大应力出现在中部槽口中间位置;钢箱梁区域的整体应力水平较低;该结构各构件应力传递路径明确,设计时建议加大锚拉板与锚拉筒侧焊缝根部圆弧半径。     

超大跨径斜拉桥钢桥面板疲劳损伤监测与断裂力学研究

为研究超大跨径斜拉桥钢桥面板的疲劳损伤问题,本文以某斜拉桥为工程背景,对实桥进行了现场疲劳损伤监测与分析,并基于断裂力学的三维裂纹扩展模型,对钢箱梁顶板-U肋和横隔板-U肋等焊接细节进行了数值仿真与研究。结果表明：实桥顶板-U肋焊缝细节高应力幅(大于10MPa)循环次数与疲劳损伤度明显低于横隔板-U肋细节,横隔板-U肋焊缝最大应力幅达到75~90MPa,顶板-U肋焊缝最大应力幅为15~30MPa,横隔板-U肋焊缝细节处裂纹数量远大于顶板-U肋焊缝细节处裂纹数量;顶板-U肋焊缝裂纹在扩展过程中基本保持平面,裂纹扩展有先沿焊缝方向纵向扩展,再向深度方向扩展的趋势;横隔板-U肋焊缝焊趾处裂纹先沿初始裂纹深度方向在横隔板扩展,再向横隔板厚度方向扩展,焊趾处裂纹先向U肋厚度方向扩展,后沿初始裂纹长度方向顺桥向扩展;在初始裂纹尺寸与荷载条件相同的情况下,顶板-U肋焊缝焊趾处裂纹扩展速度大于焊根处裂纹扩展速度,横隔板-U肋焊缝焊趾处裂纹扩展速率大于横隔板焊趾处裂纹扩展速率。