新型镦边U肋与面板连接焊缝切口应力分析

正交异性钢桥面板焊接部位疲劳问题突出,为研究采用新型镦边U肋替代传统U肋,其与正交异性钢桥面板焊缝处的应力改善情况,以典型正交异性钢桥面板为研究对象,按照实际尺寸参数采用ANSYS有限元软件建立足尺节段模型进行分析。确定关注区域及最不利荷载加载位置,在此基础上,建立焊缝局部精细模型,采用切口应力法分析镦边U肋与面板焊缝和传统U肋与面板焊缝在焊趾及焊根部位的应力。结果表明:采用镦边U肋与传统U肋在U肋与面板焊缝处应力分布基本相似;相对于传统U肋焊缝,镦边U肋焊缝在面板焊趾、焊根和U肋焊趾处应力最大降幅分别为24.3%、43.8%、60.5%,镦边U肋可以较好地改善U肋与面板焊缝处的应力集中效应,有利于提高结构的抗疲劳性能。     

钢桥面板顶板-U肋焊接接头热点应力的精细有限元分析

针对正交异性钢桥面板顶板-U肋焊接接头突出的疲劳问题,以广东虎门二桥坭洲水道桥为例,基于国际焊接协会推荐的热点应力法,利用ANSYS有限元软件建立的参数化热点应力精细有限元分析模型,对顶板-U肋焊接接头热点应力受顶板厚度、熔透率、组装间隙等参数的影响进行了精细有限元分析,结果表明:顶板厚度由16 mm增加到18 mm,顶板焊趾、焊根热点应力降低约26%、28%;顶板厚度由16 mm减小到14 mm,顶板焊趾、焊根热点应力增加约38%、96%;肋板厚度由8 mm增加到10 mm,肋板焊趾、焊根热点应力降低约20%,而顶板焊趾、焊根热点应力略有增加;熔透率由60%增加到100%(全熔透),肋板焊趾、焊根热点应力降低约10%;熔透率为30%时,组装间隙由0.5 mm增加到3.5 mm,肋板焊趾、焊根热点应力增加约9%;焊趾高度由8 mm增加到10 mm或角度由40°变为30°,顶板焊趾热点应力降低约4%或11%。最后,结合一种新兴的U肋内焊技术,即将传统的顶板-U肋单面焊接接头发展为双面焊接头,通过扩展上述参数化热点应力精细有限元分析模型,对采用U肋内焊技术后的顶板-U肋焊接接头热点应力的变化及受熔透率、内焊趾高度、内焊趾角度等参数的影响进行了精细有限元分析,以为今后U肋内焊技术在正交异性钢桥面板结构的工程应用提供一些合理化建议。     

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。     

高疲劳抗力钢桥面板的疲劳问题Ⅰ：模型试验

正交异性钢桥面板的疲劳开裂问题是制约桥梁工程可持续发展的关键难题，亟需发展具有高疲劳抗力的正交异性钢桥面板。同时引入纵肋与顶板新型双面焊构造细节和纵肋与横隔板新型交叉构造细节2类构造细节，提出了一种高疲劳抗力钢桥面板，设计了2个足尺节段模型，通过模型试验确定了纵肋与顶板传统单面焊构造细节和新型双面焊构造细节的疲劳开裂模式和疲劳性能，采用扫描电子显微镜（SEM）确定了单面焊构造细节焊根和双面焊构造细节焊趾的初始微裂纹尺度；研究了纵肋与横隔板传统交叉构造细节和新型交叉构造细节的疲劳开裂模式。研究结果表明：纵肋与顶板传统单面焊构造细节的疲劳裂纹起裂于顶板焊根并沿顶板厚度方向扩展，其疲劳强度为98.7 MPa，新型双面焊构造细节的疲劳裂纹起裂于顶板内侧焊趾并沿顶板厚度方向扩展，其疲劳强度为123.2 MPa；传统单面焊构造细节焊根的初始微裂纹尺度显著大于新型双面焊构造细节焊趾的初始微裂纹尺度，初始微裂纹尺度的差异是2种开裂模式的疲劳抗力存在显著差异的主要原因；纵肋与横隔板传统交叉构造细节的疲劳裂纹起裂于纵肋腹板焊缝端部焊趾并沿纵肋腹板扩展，新型交叉构造细节的疲劳裂纹起裂于纵肋底板焊缝端部焊趾并沿纵肋底板扩展，2类构造细节的起裂次数基本一致，但新型交叉构造细节的疲劳裂纹扩展速率远低于传统构造细节；相同加载条件下，高疲劳抗力钢桥面板结构体系的疲劳寿命显著优于传统钢桥面板结构体系。     

纵肋与顶板新型双面焊构造细节疲劳性能研究

正交异性钢桥面板疲劳开裂问题突出,其中纵肋与顶板传统单面焊构造细节疲劳开裂危害严重,为提升其疲劳性能,通过引入最新自动化焊接技术发展了纵肋与顶板新型双面焊构造细节。为明确其疲劳性能的关键问题,基于等效结构应力法进行了研究：首先对纵肋与顶板新型双面焊构造细节各疲劳失效模式的等效结构应力影响面进行深入分析,确定了构造细节的主导疲劳失效模式;在此基础上,研究了熔透率和焊缝几何尺寸对其疲劳性能的影响。研究结果表明：在纵向移动轮载作用下,纵肋与顶板新型双面焊构造细节的主导疲劳失效模式为顶板外侧焊趾起裂并沿顶板厚度方向扩展;对于该主导疲劳失效模式和焊趾起裂各疲劳失效模式,熔透率的影响不显著;对焊根起裂各疲劳失效模式而言,熔透率是关键影响因素,随着熔透率的增加焊根起裂各疲劳失效模式的等效结构应力幅值呈降低趋势,当熔透率达到75%时,其等效结构应力幅值均处于较低水平,此时纵肋与顶板新型双面焊构造细节的疲劳性能主要由焊趾起裂的各疲劳失效模式所控制;焊脚尺寸是纵肋与顶板新型双面焊构造细节疲劳抗力的另一关键影响因素,适当增大焊脚尺寸可有效降低焊趾起裂疲劳失效模式的等效结构应力幅值,进而提升焊趾起裂疲劳失效模式的疲劳性能。     

正交异性钢桥面板足尺疲劳试验

以某大跨径斜拉桥采用的正交异性钢桥面板为工程背景,进行钢桥面板疲劳性能试验研究,足尺疲劳试验循环次数累积达到1 020万次.试验结果表明:加劲肋与盖板连接部位出现了纵向疲劳裂纹;加劲肋与横隔板连接的焊缝端部出现了在焊趾处萌生并沿加劲肋腹板扩展的疲劳裂纹;受焊接残余应力影响,处于疲劳荷载压应力区的腹板与横隔板连接焊缝端部也萌生了疲劳裂纹;横隔板挖孔部位无疲劳裂纹;若以测点应力发生变化为疲劳失效判据,则加劲肋与横隔板连接端部的疲劳细节高于AASHTO中D类和Eurocode的63类细节等级,加劲肋与盖板连接的疲劳细节高于AASHTO中D类和Eurocode的71类细节等级;若以出现疲劳裂纹为疲劳失效判据,则其疲劳细节高于AASHTO规范中D类和Eurocode的80类细节等级.     

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。     

正交异性钢桥面U肋与面板内焊连接疲劳性能试验

正交异性钢桥面板具有结构自重小、承载能力强、装配程度高等优点,已被广泛应用于世界各地大跨度桥梁工程中;然而由于正交异性钢桥面板焊接结构复杂、应力集中明显以及直接承受车轮荷载的反复作用等因素,其U肋与面板单面部分熔透焊缝连接处容易产生疲劳裂纹。为寻求改善U肋与面板单面部分熔透焊缝连接疲劳性能的方法,该文对U肋与面板采用单面部分熔透焊缝连接(单缝连接)与采用部分熔透焊缝和内部贴角焊缝组合连接(双缝连接)的5组共10个试件开展了疲劳试验,对比分析各试件的疲劳寿命和开裂形式,发现增加U肋内部贴角焊缝可以大幅提高U肋与面板连接的疲劳寿命。     

新型镦边纵肋与顶板焊接构造细节疲劳性能试验（双语出版）

为了提高正交异性钢桥面板纵肋与顶板焊接构造细节的疲劳性能,提出了一种新型镦边纵肋与顶板连接构造细节,该构造细节通过局部镦厚与顶板连接部位的纵肋腹板,增大连接焊缝截面尺寸和局部刚度,从而减小该焊缝连接部位的应力集中程度,以实现提高纵肋与顶板焊接构造细节的疲劳性能的目的。作为一种新型焊接构造细节,其实际疲劳破坏模式和疲劳抗力均有待研究确定,为验证这一新型构造细节在改善纵肋与顶板焊接构造细节疲劳性能方面的有效性并确定其实际疲劳破坏模式和疲劳抗力,设计2组共7个足尺节段模型进行疲劳试验,对新型镦边纵肋与顶板焊接构造细节和传统纵肋与顶板焊接构造细节进行对比试验和理论研究。研究结果表明：控制2类构造细节的主导疲劳破坏模式均为萌生于焊根、沿顶板开裂的疲劳破坏模式;该疲劳破坏模式下新型镦边纵肋与顶板焊接构造细节和传统纵肋与顶板焊接构造细节的疲劳性能基本一致,新型镦边纵肋与顶板焊接构造细节对于该疲劳破坏模式下的实际疲劳性能无明显的改善效果;切口应力法适用于该构造细节焊根的疲劳性能评估,从便于工程应用的角度考虑,距离顶板焊趾5 mm处的应力值亦可作为纵肋与顶板焊接细节疲劳性能评估的依据。     

钢桥面板U肋与顶板双面焊连接疲劳性能研究

为确定钢桥面板U肋与顶板双面焊连接相比单面焊连接疲劳性能的改善效果,以某实桥正交异性钢桥面板节段为对象,采用ANSYS软件建立有限元模型,计算不同工况下各疲劳易损部位的切口应力幅,并分析双面焊连接疲劳性能的影响因素。结果表明:U肋与顶板双面焊连接的最大切口应力幅比单面焊时减小19.1%,能有效提高U肋与顶板连接焊缝的疲劳性能;U肋与顶板单面焊连接的最不利疲劳易损部位为焊根,而双面焊连接的最不利疲劳易损部位变为外侧焊趾;焊缝未熔透间隙长度和高度对U肋与顶板双面焊连接疲劳性能的影响较小;增大焊缝和顶板夹角可显著降低双面焊连接的最大切口应力幅,提高U肋与顶板双面焊连接的疲劳性能。     

钢桁梁整体焊接节点疲劳性能模型试验

整体焊接节点钢桁梁具有广阔的应用前景,其疲劳性能由整体焊接节点所决定。以长清黄河大桥为研究对象,通过理论分析和两尺度疲劳破坏试验对钢桁梁整体焊接节点的疲劳性能进行了研究。首先通过全桥杆件内力分析和多尺度疲劳损伤分析确定了控制主桁疲劳性能的整体焊接节点位置及其控制构造细节;在此基础上设计了2类共21个试验模型,其中包括20个构造细节试样模型和1个足尺节段模型,进行了疲劳破坏试验,确定了整体焊接节点控制构造细节的主导疲劳开裂模式、应力集中系数和疲劳强度。研究结果表明：节点顶板、横梁上翼缘与节点板熔透对接焊连接细节是整体焊接节点疲劳性能的控制构造细节,其主导疲劳开裂模式为从节点板焊趾起裂并沿板厚扩展;实际受力模式下,控制构造细节中节点板焊趾应力集中系数为1.163,横梁上翼缘焊趾应力集中系数为1.789;2类试验模型的宏观疲劳裂纹起裂寿命均占总疲劳寿命的75%以上,故将2类试验模型的疲劳失效判据统一定义为出现宏观疲劳裂纹;基于此,2类试验模型所得到的控制构造细节疲劳强度等级基本一致;控制构造细节2种开裂模式名义应力疲劳强度等级均建议采用公路钢结构桥梁设计规范中的FAT80,热点应力疲劳强度均建议采用欧规中的FAT90。     

纵肋与顶板新型双面焊构造细节的疲劳强度问题

钢桥面板的疲劳问题是制约钢结构桥梁可持续发展的关键难题,纵肋与顶板传统单面焊构造细节是控制钢桥面板疲劳性能、疲劳开裂危害最为严重的易损构造细节。以中国自主研发的纵肋与顶板新型双面焊构造细节为研究对象,研发了钢桥面板纵肋与顶板构造细节疲劳试验装置,参照近期中国典型重大工程的钢桥面板结构设计参数,在系统对比分析研究的基础上,设计12个构造细节疲劳试验模型和5个节段疲劳试验模型,通过疲劳破坏试验确定了纵肋与顶板新型双面焊构造细节的主导疲劳开裂模式和疲劳强度,探究了影响其疲劳性能的关键因素。研究结果表明:纵肋与顶板新型双面焊构造细节的疲劳强度显著高于纵肋与顶板传统单面焊构造细节,等效结构应力适用于纵肋与顶板新型双面焊构造细节的疲劳性能评估;实际熔透率不低于75%时多种焊接工艺条件下纵肋与顶板新型双面焊构造细节的主导疲劳开裂模式均为疲劳裂纹在顶板焊趾产生,并沿顶板板厚方向扩展,其名义应力疲劳强度高于90 MPa,等效结构应力疲劳强度高于100 MPa;制造缺欠是影响纵肋与顶板新型双面焊构造细节疲劳性能的关键因素;所研发的试验装置可通过构造细节模型实现对实际钢桥面板中纵肋与顶板焊接构造细节的准确模拟,准确获得纵肋与顶板构造细节疲劳性能。研究成果可为该长寿命新型构造细节的抗疲劳设计和工程实践提供依据。     

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。     

高疲劳抗力钢桥面板的疲劳问题Ⅱ：结构体系抗力

为了深刻认识高疲劳抗力钢桥面板的疲劳特性，准确评估其结构体系的疲劳抗力，基于等效结构应力建立了考虑焊接微裂纹对钢桥面板疲劳性能劣化效应的结构体系疲劳抗力评估方法，并通过疲劳试验对所建立的评估方法进行了验证。在此基础上采用所建立的结构体系疲劳抗力评估方法对高疲劳抗力钢桥面板的疲劳开裂模式、疲劳抗力及其影响因素等相关关键问题进行系统研究。研究结果表明：焊接微裂纹的存在会显著降低钢桥面板的疲劳性能，导致主导疲劳开裂模式发生迁移；结构体系设计参数对纵肋与顶板双面焊构造细节和纵肋与横隔板新型交叉构造细节疲劳性能的影响有显著区别，其中纵肋与顶板双面焊构造细节的疲劳性能主要对顶板厚度的变化较为敏感，其疲劳性能随着顶板厚度的增加而显著提升，而纵肋与横隔板新型交叉构造细节的疲劳性能同时受多个参数的影响，其疲劳性能随着顶板厚度、横隔板厚度和纵肋高度的增大而提升，随着横隔板间距和纵肋底板与横隔板之间焊缝长度的增大而降低；传统钢桥面板的主导疲劳开裂模式为纵肋腹板与横隔板交叉构造细节围焊焊趾开裂，高疲劳抗力钢桥面板的主导疲劳开裂模式为纵肋底板与横隔板交叉构造细节纵肋焊趾开裂；相对于传统正交异性钢桥面板，高疲劳抗力钢桥面板结构实现了主导疲劳开裂模式的迁移，疲劳性能显著提高。     

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。     

钢桥面板纵肋双面焊构造疲劳裂纹扩展特性研究

正交异性钢桥面板纵肋构造细节疲劳危害严重,修复困难,传统单面焊构造疲劳抗力不足是导致该部位疲劳开裂频发的主要原因。采用双面焊构造可望显著提高该构造细节的疲劳抗力,而初始焊接缺陷是该类构造细节疲劳抗力的关键影响因素。以双面焊构造为研究对象,基于线弹性断裂力学理论,建立多裂纹扩展模拟方法,通过多裂纹扩展试验验证该方法的可行性;在此基础上,对焊根处存在单一和多个初始缺陷条件下构造细节疲劳裂纹扩展特性进行研究。结果表明：外侧焊根单裂纹、内侧焊根单裂纹与焊根多裂纹扩展模式均为Ⅰ型开裂主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹扩展模式;多裂纹扩展特性并不显著,多裂纹在扩展初期由于临近裂纹等效应力强度因子幅值的迅速降低而转变为单一裂纹,此后其扩展规律与外侧焊根单裂纹扩展规律基本一致;3种裂纹在扩展初期裂纹形状比变化规律存在差异,但随着扩展深度的增加,等效应力强度因子幅值下降段变化规律基本一致,裂纹扩展达到一定深度后均呈扁平状且随扩展深度增加扁平状趋势更加显著;外侧焊根处的单一缺陷是控制钢桥面板纵肋双面焊构造疲劳抗力的主要缺陷,制造时应采取有效措施避免这类缺陷。