正交异性钢桥面板疲劳问题的研究进展

为深化对正交异性钢桥面板疲劳问题的认识,从正交异性钢桥面板的疲劳性能及其评估方法、新型正交异性钢桥面板结构以及正交异性钢桥面板疲劳加固的研究进展等层面进行了分析总结,讨论了制约正交异性钢桥面板疲劳研究的主要问题,探讨了正交异性钢桥面板疲劳问题研究的现状和发展趋势。结果表明:相对于主梁和主桁等杆系结构的疲劳问题,正交异性钢桥面板的疲劳体现为由多个复杂构造细节部位的疲劳性能共同决定的空间结构疲劳问题,其疲劳破坏模式、疲劳性能、抗疲劳优化设计和疲劳开裂加固等问题更为复杂;疲劳损伤机理、新建和在役正交异性钢桥面板疲劳性能评估方法、适用的疲劳开裂加固方法,是钢桥的全寿命周期设计理论的重要基础和桥梁工程可持续发展迫切需要解决的重要研究课题;依托创新设计理念和高性能材料,发展新型结构体系和构造细节,是正交异性钢桥面板的重要发展方向;以智能化制造为代表的先进制造加工技术、以红外热成像和超声波相控阵等为代表的疲劳裂纹检测技术,为正交异性钢桥面板疲劳性能的进一步提升和疲劳裂纹检测技术的发展提供了重要支撑。     

基于断裂力学的UHPC加固钢桥面板性能分析

正交异性钢桥面板的板-肋焊接处是车辆荷载下极易开裂的位置,通过UHPC加固可以有效减小钢桥面板的疲劳风险。为了研究UHPC加固钢桥面板的效果,基于线弹性断裂力学展开有限元分析。通过正交异性钢桥面板试验案例作为参考对焊趾处的疲劳性能进行计算,验证了有限元模型的可靠性,通过在焊接细节处插入初始裂纹进行应力强度因子计算分析,考虑不同加载位置以及UHPC层厚度对裂纹尖端的应力强度因子值的影响。研究结果表明：顶板处焊缝位置的热点应力要高于U肋处的焊缝,热点应力受荷载位置影响较为明显;增加UHPC层可有效增加正交异性钢桥面板的刚度,从而减少裂纹尖端的应力集中,增设50 mm厚的UHPC铺装层时,初始裂纹尖端的应力强度因子减小约89%,研究内容可为UHPC加固钢桥面板设计提供参考。     

正交异性钢桥面板的研究进展

正交异性钢桥面板具有自重轻、承载性能好、跨径大、装配速度快等优点,逐步取代了传统砼桥面板。随着近年来交通量的迅猛增加,正交异性钢桥面板的焊缝疲劳问题愈发突出,其中以纵肋-顶板焊缝的疲劳开裂最常见,桥面板、横梁、纵肋三者相交位置也是桥梁结构中对疲劳最敏感的部位。文中对正交异性钢桥面板的发展历史、力学性能、疲劳问题及正交异性钢桥面技术的发展等进行梳理,并对正交异性钢桥面板的未来发展进行展望。     

正交异性钢桥面板U肋内焊技术

为提高正交异性钢桥面板U肋与钢桥面板连接焊缝的疲劳耐久性,开发了正交异性钢桥面板U肋内焊技术,通过龙门焊接平台驱动连杆,将6台内焊机器人送入6根U肋内部同时进行12条内侧角焊缝的焊接。解决了U肋内焊设备、工艺、检测、返修等方面的关键技术,实现U肋内焊的可靠、优质、高效焊接。U肋内焊技术将U肋与钢桥面板之间的连接焊缝由单面角焊缝改变为双面角焊缝形式,从根本上改善U肋焊缝焊根处应力集中问题,避免从焊缝焊根处产生疲劳裂纹,同时大幅提高桥面板焊趾处疲劳性能,正交异性钢桥面板U肋内焊技术成功应用于武汉沌口长江公路大桥工程中。此外,结合U肋内焊技术,提出了U肋与横隔板交叉处新构造方案,以期全面提升正交异性钢桥面板疲劳耐久性。     

新型半开口纵肋正交异性钢桥面板疲劳性能试验研究

为了改善常规正交异性钢桥面板的疲劳开裂问题,提出新型半开口纵肋正交异性钢桥面板结构,该结构通过在纵肋底部开口实现顶板与纵肋双面焊接,提高焊缝质量,降低纵肋与横隔板的刚度差。为验证该新型钢桥面板的疲劳性能,设计制作钢桥面板节段足尺模型进行疲劳试验,采用应力应变法、数字图像法、声发射法等技术监测应力和裂纹发展。结果表明:在1 000万次循环加载过程中,新型钢桥面板各构造细节处均未出现疲劳裂纹;与常规正交异性钢桥面板相比,新型钢桥面板纵肋与横隔板连接处的应力幅大幅降低;新型钢桥面板结构显著改善了正交异性钢桥面板的抗疲劳性能。     

正交异性钢桥面板典型疲劳细节变形与裂纹尖端应力分析

为了解车轮荷载作用对正交异性钢桥面板典型疲劳细节的影响,以长门特大桥为背景,采用有限元法建立正交异性钢桥面板节段模型及易开裂部位的子模型,分析在不同横向荷载分布下3处典型疲劳细节受力及面内外变形,得到各细节最不利加载位置。对最不利位置进行加载,分析疲劳裂纹尖端应力强度因子变化规律,研究不同疲劳细节裂纹类型及扩展能力。结果表明:单轮荷载作用下,横隔板弧形缺口位置会发生面内外变形,顶板-U肋焊根处以面外变形为主,横隔板间的顶板-U肋焊缝焊根位置面外变形最大。在裂纹较短时,随着长度的增加,弧形缺口裂纹从张开型裂纹逐渐转向张开型、滑开型混合裂纹,且横隔板处的顶板-U肋焊根裂纹为复合型裂纹,横隔板间的顶板-U肋焊根裂纹为张开型裂纹。横隔板弧形缺口裂纹和顶板-U肋焊缝焊根裂纹的尖端应力强度因子的最大值,分别出现在裂纹长度为20 mm和40 mm附近,该处裂纹较容易继续扩展。     

正交异性钢桥面板构造细节疲劳性能及损伤演化研究

针对正交异性钢桥面板,设计了相应的典型焊接构造细节,并进行了疲劳试验研究.疲劳试验结果表明,(1)横肋受力比较复杂,在箱梁端部横隔板与纵肋焊接位置下端首先出现细微的疲劳裂纹;(2)纵肋与顶板焊缝连接处外侧顶板与纵肋的损伤发展较大,疲劳破坏的位置为面板与纵肋交汇处焊缝构造,且均发生在面板母材上,而内侧顶板则无明显的损伤.同时,基于残余应变模型,研究了正交异性钢桥面板损伤发展历程,并利用连续分段函数模型描述整个寿命过程中的损伤累积规律,与已有试验资料对比表明了该函数模型的正确性.     

钢桥面板疲劳损伤智能监测与评估系统研究

正交异性钢桥面板作为大跨度桥梁的首选桥面板结构,实时监测并准确识别其重要构造细节的疲劳损伤程度,在此基础上预测剩余疲劳寿命,对于大跨度桥梁的服役期管理维护决策至关重要;但正交异性钢桥面板的疲劳问题具有多尺度、多模式、随机性、隐蔽性等特性,且其对结构静动力响应的影响仅限于疲劳裂纹附近的局部区域,传统的损伤识别方法难以准确识别。结合智能技术的最新发展和正交异性钢桥面板疲劳问题的基本属性,构建了其疲劳损伤智能监测与评估系统,并对其疲劳损伤指标和疲劳损伤智能评估的相关关键问题进行研究。提出了基于等效结构应力的正交异性钢桥面板多尺度疲劳损伤评估方法;建立了考虑随机因素的结构体系实时疲劳损伤评估及剩余寿命预测方法;构建了正交异性钢桥面板疲劳损伤智能监测与评估系统;基于实际桥梁结构的交通量和结构响应监测信息,对所建立的正交异性钢桥面板疲劳损伤智能监测与评估系统进行了验证。研究结果表明：在实际交通荷载作用下,顶板与纵肋连接细节的疲劳主导失效模式为焊根部位起裂沿顶板扩展,所提出的疲劳损伤评估方法的评估结果与实际结构一致,表明所提出的方法能够准确确定结构体系的疲劳失效模式;疲劳损伤智能监测与评估系统所确定的实桥疲劳损伤及剩余寿命预测结果与实际桥梁疲劳损伤开裂时间基本一致;所建立的智能监测与评估系统可为正交异性钢桥面板疲劳损伤过程和寿命评估提供理论依据及支撑,并为实桥的运营管理养护决策提供科学依据。     

正交异性钢桥面板的疲劳裂纹处治

为给正交异性钢桥面板的疲劳裂纹处治提供参考,对桥面板与闭口肋、竖向加劲肋焊缝连接部位及纵肋与横肋的焊缝相交部位的疲劳损伤进行了研究。研究结果显示:重交通量及大型重车荷载是钢桥面板疲劳损伤的主要原因。桥面板与闭口肋相交的焊缝部位的疲劳损伤主要有焊缝走向裂纹和钢桥面板纵向裂纹。钢桥面板纵向裂纹可通过红外线和超声波等手段进行检测。针对钢桥面板疲劳损伤类型可采取多种处治措施,其中焊缝走向裂纹可采用确保熔深、换肋、桥面板SFRC铺装补强、焊接修补等措施进行修补,钢桥面板纵向裂纹可采用加大桥面板厚度、设止裂孔、焊接修补等措施进行修补。     

钢桥面板纵肋顶板焊缝疲劳裂纹扩展的关键影响因素

正交异性钢桥面板疲劳问题突出，纵肋与顶板焊缝处是其关键疲劳易损部位，研究该部位疲劳裂纹的扩展过程并确定关键影响因素及其效应，有助于深刻理解其疲劳损伤机理。建立正交异性钢桥面板疲劳试验节段模型的有限元分析模型，将纵肋与顶板焊缝焊根处的疲劳裂纹近似为半椭圆形裂纹，基于断裂力学实现其扩展全过程的三维数值模拟。在此基础上研究初始裂纹的纵向位置和初始裂纹形状对疲劳裂纹扩展过程的影响，阐明扩展过程中的疲劳裂纹的形状变化，以及疲劳裂纹关键部位应力强度因子幅值的变化规律。研究表明：对于典型的正交异性钢桥面板纵肋与顶板焊缝，在纵向一段范围内，初始裂纹的纵向位置对裂纹扩展的影响不大；初始裂纹形状对裂纹扩展的影响主要体现在裂纹扩展的初始阶段，经过一段时间的扩展之后，不同形状的初始裂纹将演变为相对稳定的形状；持续一段时间后，裂纹将逐渐变得较为扁长；疲劳裂纹在深度方向上扩展超过约顶板厚度一半时，最深点的扩展速率将会减慢；深度相同的裂纹，形状越扁长时越倾向于向深度方向扩展，越不扁长时越倾向于向长度方向扩展。     

基于等效结构应力法的正交异性钢桥面板体系疲劳抗力评估

正交异性钢桥面板的疲劳问题属于多疲劳失效模式下的结构体系疲劳问题,为研究其结构体系的疲劳失效模式和疲劳抗力,以典型的正交异性钢桥面板为研究对象,提出基于主导疲劳失效模式的结构体系疲劳抗力评估方法。由正交异性钢桥面板的重要疲劳失效模式入手,设计3组共8个足尺节段模型,通过疲劳试验研究确定纵肋与顶板焊接细节和纵肋与横隔板交叉构造细节的重要疲劳失效模式及其实际疲劳抗力;基于所提出的结构体系疲劳抗力评估方法,探讨引入镦边纵肋和双面焊等新型构造细节条件下正交异性钢桥面板结构体系的疲劳抗力问题。研究结果表明：纵肋与顶板焊接细节主导疲劳失效模式为疲劳裂纹萌生于焊根并沿顶板厚度方向扩展,而纵肋与横隔板交叉构造细节主导疲劳失效模式为疲劳裂纹萌生于端部焊趾并沿纵肋腹板扩展;初始制造缺陷会显著降低正交异性钢桥面板重要疲劳失效模式的疲劳抗力并导致疲劳失效模式迁移;对于正交异性钢桥面板的结构体系而言,引入新型镦边纵肋与顶板焊接细节无法提高结构体系的疲劳抗力;而引入纵肋与顶板新型双面焊细节,可使结构体系的主导疲劳失效模式迁移至顶板焊趾或纵肋与横隔板交叉构造细节,结构体系的疲劳抗力得到显著提高。     

正交异性钢桥面板弧形切口及其CFRP补强的疲劳性能

横隔板弧形切口疲劳裂纹为正交异性钢桥面板的主要疲劳病害之一,为研究该细节的疲劳抗力与裂纹处治技术开展了正交异性钢桥面足尺模型疲劳试验,对横隔板光滑弧形切口、含人工缺陷弧形切口、以及CFRP单面加固含人工缺陷弧形切口的疲劳性能进行了比较研究;结合有限元方法对横隔板光滑弧形切口疲劳评估方法进行了探讨.结果表明:打磨光滑的横...     

新型大纵肋正交异性钢—混凝土组合桥面板疲劳特性研究

由结构体系和受力特性共同决定,大纵肋正交异性钢桥面板纵肋与顶板焊缝以及纵肋与横隔板焊缝疲劳问题突出,是结构疲劳性能的控制部位。引入组合结构桥面板理念,通过在其顶板上铺设混凝土结构层组成新型组合桥面板,探索改善上述控制部位疲劳性能的新途径及其可行性,并通过与传统正交异性钢桥面板和薄层RPC组合桥面板两类关键疲劳易损部位的对比研究,验证其抗疲劳性能的优越性。研究结果表明,所提出的新型大纵肋正交异性钢—混凝土组合桥面板通过将混凝土结构层与正交异性钢桥面板组成协同受力体系,能够有效增强桥面板的整体受力性能和关键疲劳易损部位的疲劳性能,其典型疲劳易损部位的应力幅显著小于传统的正交异性钢桥面板,其疲劳性能优于传统的正交异性钢桥面板,是具有较好推广应用前景的新型桥面板结构形式。     

钢桥面顶板-U肋焊缝表贴增强板材疲劳加固方法研究

针对正交异性钢桥面板顶板-U肋焊缝疲劳开裂问题,提出在顶板表面粘贴小尺寸增强板材的疲劳加固方法.采用碳纤维增强复合(CFRP)板和钢板2种疲劳加固板材,开展钢桥面局部区域足尺模型疲劳试验,采用热点应力法分析加固前后顶板-U肋焊缝的疲劳性能,最后根据线弹性断裂力学和有限元计算分析,对比分析不同加固板材下焊缝裂纹扩展过程中...     

基于Lamb导波深度学习的钢桥面板疲劳裂纹智能监测研究

正交异性钢桥面板疲劳开裂问题突出，传统方法难以实现有效监测，可采用对钢结构裂纹高度敏感的Lamb导波信号进行裂纹监测。考虑Lamb导波在钢桥面板上的不同传播方式，建立钢桥面板有限元模型，并开展导波传播数值模拟；通过连续小波变换提取得到导波的主要特征，并运用深度学习技术挖掘导波特征中的疲劳裂纹信息，实现对钢桥面板疲劳裂纹的智能监测。结果表明：导波纵向和横向传播模式下的导波特征均能很好反映各类裂纹的影响，且2种传播模式之间可实现裂纹监测需求的有效互补；经过学习训练后的深度置信网络可实现对4 mm及以上长度裂纹的高准度识别，对裂纹深度的测量误差也在1 mm以内。研究成果为Lamb导波传感技术在钢桥面板疲劳裂纹监测中的应用提供了重要依据和方法参考。     

新型大纵肋正交异性组合桥面板力学性能研究

为了解新型大纵肋钢-超高性能混凝土(UHPC)正交异性组合桥面板对传统正交异性钢桥面板的受力性能的改善效果,以港珠澳大桥深水区非通航孔6×110m连续钢箱梁桥为背景,建立全桥有限元模型,对2种桥面方案的静力性能进行对比,建立节段有限元模型,对比2种桥面方案U肋与顶板连接焊缝处的疲劳性能,并分析U肋开口宽度和UHPC结构层厚度对大纵肋钢-UHPC正交异性组合桥面板疲劳性能的影响。结果表明:2种桥面方案下钢箱梁控制点的位移和应力相差不大,所提出的大纵肋钢-UHPC正交异性组合桥面板在中等跨度连续梁桥中具有较好的适用性;大纵肋钢-UHPC正交异性组合桥面板的疲劳性能显著优于传统正交异性钢桥面板;增大U肋开口宽度会导致U肋与顶板连接焊缝应力幅增加,增加UHPC结构层厚度能显著降低U肋与顶板连接焊缝应力幅。     

超声相控阵技术在苏通大桥维护检测中的应用研究

介绍了正交异性钢箱梁桥面板的结构特点及其在公路/铁路桥梁中的应用情况,分析了钢箱梁桥面板的U肋角接焊接接头处疲劳裂纹的常见病害形式,并对比了低倍宏观法、目视+磁粉检测、普通超声检测、射线检测等常用的U肋焊缝检测方法的特点及其在成桥维护检测中的局限性;分析了超声相控阵的特点及其在成桥U肋角接焊接接头处焊缝熔深和缺陷形式检测的可行性,通过对苏通大桥正交异性钢箱梁桥U肋角焊缝的试验检测表明,超声相控阵法可有效地检测成桥后U肋角焊缝的质量和常见病害,从而保证桥梁运行的安全可靠性。     

正交异性钢桥面板裂纹扩展的均质化方法

正交异性钢桥面板往往在焊缝及其附近位置出现过早的疲劳损伤问题。考虑到这一结构形式所含的大量焊接接头,对其中的随机初始裂纹及气孔、夹杂等焊接缺陷对疲劳性能的影响展开研究。首先,利用扩展有限元法在求解几何不连续问题方面的高效性,生成了大量含随机缺陷的代表体积元;而后基于等效裂纹扩展长度准则,对随机缺陷进行了均质化处理,并通过数值算例证明了其在早期裂纹扩展中的适用性。作为重要的多尺度方法之一,该均质化方法可用于计算正交异性钢桥面板焊接接头的裂纹扩展。根据某正交异性钢桥面板的典型车辆荷载的现场实测数据,结合欧洲规范建议的年车流量及轮载横向分布,采用均质化的模型对U肋-顶板焊趾的宏观裂纹形成寿命(初始裂纹扩展至可检测尺度的寿命)进行了计算。结果表明:该方法可有效呈现宏观裂纹形成寿命的概率分布,但在现有假设下,初始裂纹尺度的影响明显高于气孔、夹杂等缺陷;若初始裂纹尺度呈均匀分布,将导致宏观裂纹形成寿命的分布较为离散;所得结果的统计特性依赖于所选择的Paris公式形式及其中的材料常数取值。     

正交异性钢桥面板疲劳裂纹试验和数值分析

横隔板开孔和U肋与横隔板连接焊缝端头部位是正交异性钢桥面板的疲劳敏感部位,容易过早、过多地出现疲劳裂纹。为了研究疲劳裂纹产生的原因,以某钢箱梁悬索桥为背景,针对其正交异性钢桥面板制作节段模型进行疲劳试验和扩展有限元分析,考虑横隔板面外变形的影响,研究横隔板开孔部位、U肋与横隔板连接焊缝端头部位疲劳裂纹的产生和扩展。结果表明:节段模型经200万次疲劳荷载作用后,横隔板开孔处出现长7.5mm的裂纹,260万次后扩展到31mm;考虑顶板和横隔板之间的相对水平位移(1.21mm)时,各测点的面内应力计算值与实测值整体吻合良好;横隔板开孔断面最小处的应力达60 MPa,热点应力达到或超过该细节的常幅疲劳极限70MPa,在此处产生裂纹;横隔板的面外变形是诱发横隔板开孔处裂纹的根本原因,热点应力和结构缺陷促使了裂纹的产生。     

基于表贴板材的正交异性钢桥面顶板-U肋焊缝疲劳加固方法研究

针对正交异性钢桥面板顶板-U肋焊缝疲劳开裂问题,提出一种在钢桥面顶面粘贴小尺寸矩形板的疲劳加固方法.以某主跨1490 m的悬索桥为背景,建立正交异性钢桥面局部有限元模型,计算加固前、后钢桥面板顶板-U肋焊缝在车轮横向荷载与纵向移动荷载下的应力情况;分析加固板厚度、横桥向尺寸、顺桥向尺寸和材料属性等参数对加固效果的影响规...