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。     

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。     

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。     

中欧规范下钢桥面板与纵肋双面焊焊接细节疲劳性能分析

钢桥面板与纵肋双面焊焊接细节是新型构造细节之一,有助于改善钢桥面板疲劳性能。文中基于中欧规范中疲劳车形式,通过有限元数值模拟,采用热点应力法计算得到钢桥面板与纵肋双面焊焊接细节的热点应力历程,分析该细节的疲劳性能。     

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。     

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。     

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。     

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。     

带大U肋的轻型组合桥面板基本力学性能

为综合解决正交异性钢桥面板疲劳开裂和铺装层易损的难题,提出了由正交异性钢桥面板与薄层超高韧性混凝土STC组合而成的轻型组合桥面板结构。由于STC层显著提高了桥面板的刚度,因此可对结构进行优化。在带U肋轻型组合桥面板的基础上,提出了带大U肋的轻型组合桥面板方案。将此方案拟应用于某大桥,与原结构相比,用钢量基本不变,而面板-U肋-隔板三者间焊缝总长度减少36%,不仅降低了施工难度,也减少了焊接缺陷,进一步解决了钢桥面板疲劳开裂的问题。采用4种不同的结构体系,建立了钢箱梁节段有限元模型,基于热点应力法,对体系的6个典型疲劳细节进行疲劳验算。结果表明：在大U肋轻型组合桥面板中,6个疲劳细节的应力水平与传统U肋轻型组合桥面板接近,降幅效果基本一致;同时,通过计算说明了大U肋轻型组合桥面板具有良好的横向受力性能,其栓钉也具有足够的抗疲劳性能。为探究此轻型组合桥面板STC层的纵向弯拉性能,开展了负弯矩条带足尺试验,确定大U肋轻型组合桥面板的STC顶层名义开裂应力为24.1 MPa,远超STC层计算最大拉应力10.92 MPa。以上分析初步表明：带大U肋的轻型组合桥面板有较好的疲劳和静力性能。     

苏通大桥钢箱梁桥面板关键构造细节疲劳试验

以苏通大桥钢箱梁桥面板为研究对象,选取关键构造细节,开展桥面板疲劳性能试验研究,确定桥面板在钢箱梁现行装焊工艺条件下的疲劳允许应力幅,供设计和施工参考。     

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。     

正交异性钢桥面疲劳分析方法研究综述

正交异性钢桥面构造细节复杂且构件间大量采用焊缝连接,在反复交变车辆载荷的作用下存在突出的疲劳开裂风险,而疲劳试验通常被认为是研究正交异性钢桥面疲劳性能的最直观有效手段。但疲劳试验周期长、成本高,直接应用于工程实践的局限性较大。为此,大量研究者基于数值模拟提出了名义应力法、结构热点应力法、局部应力法和断裂力学法等疲劳性能评价方法。这几种评价方法的原理和应用场景各不相同,并各有优缺点及其适用条件。     

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。     

初始缺陷角度对钢桥面纵肋顶板焊缝应力强度因子影响分析

初始缺陷在钢桥面板工厂焊接加工时难以避免,是影响钢桥面疲劳性能的重要内在因素。为研究初始缺陷角度对纵肋顶板焊缝疲劳开裂的影响,建立了包含典型初始缺陷工况条件下的有限元模型,分析得到了裂纹前缘应力强度因子。计算结果表明：竖向初始缺陷状态下的裂纹扩展能力最强;初始缺陷从竖向偏转至45°过程中,偏转角越大,张开型应力强度因子越小,滑开型和撕开型应力强度因子越大。断裂参数数值计算方法与分析结果可为相关钢桥面构造抗疲劳分析提供参考。