基于Ansys Workbench的正交异性钢桥面疲劳性能分析

正交异性钢桥面在公路、铁路桥梁中的应用非常广泛,其疲劳问题一直是正交异性钢桥面研究热点。研究正交异性钢桥面的疲劳问题通常采用试验法进行,一般是一桥一试验。因涉及试验规模、试验成本、试验周期以及试验结果说服力不足等问题,可通过疲劳有限元分析方法有效解决。本文采用大型有限元软件Ansys Workbench对某正交异性钢桥面疲劳试验实例进行钢桥面疲劳有限元分析,通过对比试验结果和有限元分析结果显示,有限元分析得出的疲劳寿命约为73.08万次,试验最先出现疲劳裂缝的试验循环数约为75万次,两者较为接近,说明采用Ansys Workbench分析正交异性钢桥面疲劳性能方法和取用参数合理。     

正交异性钢桥面环氧沥青桥面铺装应力分析

结合佛山平胜大桥桥面铺装设计计算,介绍环氧沥青混凝土应用于正交异性钢桥面板上的桥面铺装,以及在车辆荷载作用下的有限元分析计算方法和主要计算结果。     

正交异性板道砟桥面钢桁梁设计

以96 m正交异性板道砟桥面钢桁梁为研究对象,根据主桁下弦杆为拉弯构件的受力特点,设计中适当增大主桁下弦杆的竖向抗弯刚度。通过取消传统的钢混组合式道砟槽板,采用新型MMA防水体系+CAP轻质垫层+钢挡砟墙桥面系布置,减小二期恒载30%以上,有效减小了主桁用钢量。为了解决正交异性钢桥面板活载加载计算工作量大的问题,提出了正交异性板桥面系虚拟影响面加载法。钢桁梁的各项刚度指标分析结果表明:本桥具有较大的整体刚度,满足200 km/h的列车行车速度要求。结合桥址实际情况,在钢桁梁小夹角上跨既有铁路状况下,采用转体施工法进行钢桁梁架设。     

某正交异性板钢桥弧形切口疲劳开裂的现场监测分析

正交异性桥面板弧形切口开裂问题在早期建成的钢桥上时有发生。通过现场监测随机车流下弧形切口的应力时程,获得弧形切口的应力谱,基于等效损伤原则获得构造细节的等效应力幅和加载次数,并基于AASHTO规范开展弧形切口疲劳评价。研究结果表明:横隔板弧形切口仅能分别轴组,在超载车辆作用下,横隔板弧形切口将产生很大的应力响应,应力峰值可能会超过钢材的设计应力。弧形切口面内应力主导,横隔板厚度增大可以有效降低总体应力水平。结果显示弧形切口疲劳寿命远小于设计寿命,横隔板偏薄、货车通行比例高、通行量大和超载严重是导致该桥过早出现疲劳开裂的主要原因。     

桁梁正交异性整体钢桥面结构受力分析

以京沪高速铁路上一座拟建的五跨刚性梁柔性拱桥为工程背景,分析研究该桥钢桁架主梁采用的正交异性板整体桥面结构的受力情况。利用有限单元法,对桥面系部分构件的受力情况进行分析研究,并介绍带K撑的横断面结构形式对桥面各构件受力的影响。计算结果表明:该桥的整体桥面结构满足高速行车要求,桥面系各构件受力合理,带K撑的横断面结构形式改善了主桁竖杆的面外弯矩和桥面系构件的受力状态。     

正交异性整体钢桥面建模分析方法对比

正交异形钢桥面板的常用建模分析方法包括空间杆系法(SF)、空间板梁法(SPB)以及空间板壳法(SP),采用各种方法进行分析时的计算量与计算精度各有优劣,有必要进行对比研究。以一座连续钢桁梁柔性拱桥正交异性钢桥面节段为对象,结合现有规范分别建立了SF,SPB以及SP计算模型,并对3种建模方法与分析结果进行对比。研究结果表明:3种建模方法的受力行为较为接近;SPB模型的应力峰值更大,模型刚度也更大;依据现有规范中有效宽度建立的SF模型的横梁应力分析结果与其他2种模型存在较大差异,横梁有效宽度取值方面有待进一步研究。     

密布横梁正交异性板整体桥面受力行为

采用空间有限单元法和模型试验,研究南京大胜关长江大桥三主桁(拱)密布横梁体系钢正交异性板整体桥面结构的受力行为。研究结果表明:50%以上的桥面荷载通过下弦杆或系梁传至下弦节点,这部分荷载会引起下弦杆或系梁的竖向弯曲。针对三主桁(拱)密布横梁正交异性板桥面结构,提出桥面荷载在3片主桁(拱)中的2次分配的分析方法,第1次桥面荷载分配在3片主桁下弦杆或3片桁拱系梁中进行,中桁与每片边桁分配到的荷载比约为2.3~3.3,支座处大,跨中小;第2次桥面荷载分配通过横联在上弦节点中进行,中桁将0~24%的桥面荷载分配给2个边桁,跨中大,支座处小;经2次分配后,在离支座1~2节间以外的区域,中桁与边桁分配到的总荷载比约为1.0~1.2,靠近支座的区域,中桁与边桁分配到的总荷载比仍为2.5~3.3;只有第1次分配到的桥面荷载引起主桁下弦杆和桁拱系梁竖向弯曲,中桁(拱)的吊杆力、下弦杆和系梁的竖向弯矩约为边桁的2倍以上。     

铁路正交异性钢桥面板疲劳应力分析与寿命评估

以南京大胜关长江大桥为对象,建立铁路正交异性钢桥面板结构有限元模型,基于热点应力法对典型构造细节的疲劳应力进行计算分析,得到此类桥面结构的疲劳易损区。结合桥梁实际使用情况,基于美国公路桥梁设计规范(AASHTO规范)对桥面板典型焊接细节的疲劳寿命开展计算与评估,结果表明,疲劳Ⅰ与疲劳Ⅱ极限状态下5类疲劳易损构造细节的疲劳应力幅计算值均小于容许值,疲劳寿命满足设计要求。     

南京大胜关长江大桥正交异性钢桥面设计

介绍了采用正交异性钢桥面板的铁路钢桁梁桥的结构设计,分析了钢桁梁采用这种整体桥面结构对高速行车的作用与意义,研究了采用整体钢桥面结构后钢桁梁的受力特性。     

正交异性钢桥面板纵肋?面板疲劳开裂的CFRP加固研究

为了研究碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)加固正交异性钢桥面板纵肋?面板(Rib-to-Deck,RD)构造细节疲劳开裂的可行性,借助ABAQUS建立正交异性钢桥面板多尺度有限元模型,采用扩展有限元法(Extended Finite Element Method,XFEM)模拟RD构造细节焊趾处表面裂纹,与其他文献的对比验证模拟方法的可靠性;选取RD构造细节横桥向最不利的轮载位置加载,计算并对比CFRP加固RD构造细节前后应力强度因子幅值的变化.研究结果表明:XFEM取15道围道积分数并去除前2道围道积分计算平均值,得到的I型应力强度因子解较准确;CFRP加固能有效降低裂纹尖端应力强度因子幅值,从而降低其疲劳裂纹扩展速率,提高构造细节的疲劳寿命;CFRP作用体现在降低了焊趾处的应力集中和增强了裂开区的连接效应;其加固效果随CFRP层数、纵向长度、宽度的增加而提高,当CFRP纵向长度、宽度大于某一值时,其对加固效果的影响很小.     

正交异性钢桥面板纵肋?面板疲劳开裂的CFRP加固研究

为了研究碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)加固正交异性钢桥面板纵肋?面板(Rib-to-Deck,RD)构造细节疲劳开裂的可行性,借助ABAQUS建立正交异性钢桥面板多尺度有限元模型,采用扩展有限元法(Extended Finite Element Method,XFEM)模拟RD构造细节焊趾处表面裂纹,与其他文献的对比验证模拟方法的可靠性;选取RD构造细节横桥向最不利的轮载位置加载,计算并对比CFRP加固RD构造细节前后应力强度因子幅值的变化.研究结果表明:XFEM取15道围道积分数并去除前2道围道积分计算平均值,得到的I型应力强度因子解较准确;CFRP加固能有效降低裂纹尖端应力强度因子幅值,从而降低其疲劳裂纹扩展速率,提高构造细节的疲劳寿命;CFRP作用体现在降低了焊趾处的应力集中和增强了裂开区的连接效应;其加固效果随CFRP层数、纵向长度、宽度的增加而提高,当CFRP纵向长度、宽度大于某一值时,其对加固效果的影响很小.     

大跨度铁路钢箱梁斜拉桥正交异性桥面疲劳试验研究

正交异性桥面钢箱梁具有良好的整体性能与抗风性能,在大跨度公路斜拉桥及悬索桥中应用广泛,但在大跨度铁路斜拉桥上应用极少。以国内首座大跨度铁路钢箱梁斜拉桥为背景,建立全桥杆系及局部箱梁有限元模型系统分析铁路正交异性桥面疲劳受力特性,基于应力等效原则优化设计出2U肋+2V肋的足尺疲劳试验模型,并实施560万次的疲劳加载试验。结果表明:钢箱梁正交异性桥面在列车荷载下以第二三体系受力为主,承受高周低幅疲劳作用;模型实测应力值同理论值相符良好,大部分测点在560万次疲劳试验中保持弹性受力状态,结构总体疲劳性能良好;U肋与横隔板连接处附近母材在150万次疲劳后发生开裂;V肋总体应力低于U肋,其疲劳性能优于U肋。     

铁路钢箱梁正交异性桥面加劲肋疲劳性能研究

甬江特大桥是国内首座铁路大跨度钢箱混合梁斜拉桥。目前国内外大部分疲劳模型试验研究都仅针对单一纵肋形式下正交异性钢桥面板的疲劳特性,不同纵肋形式下的对比研究较少。因此,结合弗拉索夫薄壁杆件理论,提出了加劲肋疲劳敏感部位面内疲劳应力的解析公式,分析了解析公式各疲劳影响因素的影响程度及作用机理,并同有限元模拟及2U+2V模型测试结果进行对比分析。研究表明:解析公式结果同有限元模拟以及试验测试结果一致,其中V型加劲肋疲劳敏感部位疲劳应力小于U型加劲肋,模型试验中U型加劲肋疲劳敏感部位出现裂纹,因此,在铁路列车荷载作用下,V型加劲肋疲劳敏感部位比U型加劲肋具有更好的抗疲劳性能。     

正交异性钢桥面板纵肋腹板与面板连接构造的疲劳试验研究

针对正交异性钢桥面板的纵肋腹板与面板连接构造易出现疲劳裂纹的问题,通过不同纵肋腹板与面板厚度配合及制造工艺共5组48个连接构造试件的疲劳试验,研究正交异性钢桥面板纵肋腹板与面板连接构造的疲劳性能及疲劳设计S-N曲线.研究结果表明:当12 mm厚的面板搭配8mm厚的纵肋腹板时,试件发生沿面板厚度方向的剪切破坏,疲劳性能较差;当面板厚度从14 mm增至16 mm时,试件的疲劳性能有所提高;当面板厚度从16 mm增至18 mm、纵肋腹板厚度从8mm增至9mm时,试件的疲劳性能基本无改变;双侧熔透焊对疲劳试件的疲劳性能无改善,反而略低于单侧熔透75％焊.对连接构造试件的疲劳试验数据进行S-N曲线回归分析表明,连接构造可归为铁路桥梁钢结构设计规范中的Ⅸ类构造,当破坏循环次数为2×106时,其应力幅为71.9 MPa.     

正交异性板疲劳裂纹夹芯板加固方案的力学分析

通过有限元软件中多种单元的尝试,得到了正交异性板桥面裂纹的夹芯板加固方法中夹心层的合理的有限元模拟方式,进而对正交异性板夹芯加固进行了有限元分析,得到了夹芯加固法的有效性,并对夹心层材料的弹性模量进行了参数化分析,得出了此参数对夹芯加固效果的影响,最终提出了合理的裂纹加固方案。     

正交异性板设计

以南京长江隧道工程右汊桥梁-独塔自锚式悬索桥为背景,介绍正交异性板的构造、受力特点和简要计算方法。     

正交异性板及桥面复合铺装影响面测试试验研究

研究目的:正交异性板及桥面复合铺装由多层次结构和多种材料构成,局部受力非常复杂,而目前国内对其研究多偏重于理论计算,缺乏相关的试验验证。为掌握结构真实受力情况,本文在理论计算的基础上,以厦门某桥为工程背景,进行由正交异性板、栓钉和混凝土铺装层组成的桥面复合铺装的影响面加载试验,以验证相关计算理论和计算方法。研究结论:(1)正交异性板及桥面复合铺装影响面试验与有限元计算结果基本吻合,表明本次试验方案能够较好反映出正交异性板及桥面铺装各结构层次的影响面分布规律;(2)桥面铺装结构影响面分布具有强烈的局部效应,三个典型部位横向影响范围基本在1~3个U肋间距长度之间,纵向影响范围约在5个U肋间距长度,但纵、横向影响较大区域基本都在1个U肋间距长度以内;(3)本研究方法及成果可为正交异性板及桥面复合铺装的设计和科研提供借鉴。     

正交异性钢桥面梯形闭口加劲肋厚度的优化

针对钢箱梁正交异性桥面局部受力复杂的情况,运用ALGOR有限元软件建立了钢箱梁结构分析的板壳单元空间有限元模型.采用车辆荷载在横桥向的不利位置布载,分析了正交异性钢桥面系梯形闭口肋厚度对桥面承载性能的影响,给出了加劲肋厚度的建议取值及对正交异性钢桥面系的优化措施.     

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。     

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。