正交异性钢桥面板节段模型疲劳性能试验研究

设计3个正交异性钢桥面板的节段模型,进行系统的静载试验和疲劳试验,研究不同构造对正交异性钢桥面板受力和疲劳性能的影响.结果表明:面板的厚度对U肋与面板连接焊缝构造的应力影响显著,建议正交异性钢桥面板的面板厚度取为14mm以上;横隔板的间距对横隔板与U肋焊缝交叉处的面外应力、横隔板的面外变形、中间U肋的竖向变形有直接的影响;弧形开孔处的应力随横隔板的厚度增加而降低;正交异性钢桥面板上由次应力引起的裂纹的扩展比较缓慢,不会直接影响整个桥面结构的承载能力;横隔板与U肋相交处上部留有过焊孔这一构造细节对正交异性钢桥面板的疲劳性能不利.     

钢桁梁焊接构造细节的疲劳性能及基于XFEM的疲劳寿命评估

通过3组共9个试件的疲劳试验,研究沪通长江大桥主桁对接杆件中过焊孔构造细节的疲劳性能,通过扩展有限元方法(XFEM)结合断裂力学方法对过焊孔构造细节裂纹扩展阶段的疲劳寿命进行预测。研究结果表明:过焊孔与翼缘板-腹板焊缝交叉处的焊趾是过焊孔构造细节疲劳性能的薄弱环节;试验测得该细节对应200万次荷载循环的疲劳强度小于欧洲规范对类似构造细节的规定,过焊孔处腹板-翼缘板的角焊缝质量对构造细节的疲劳强度有重要影响;采用XFEM结合断裂力学方法预测疲劳裂纹扩展阶段的寿命与测试结果较吻合,可以作为疲劳寿命评估的手段。     

热点应力法在钢桥构件疲劳评定中的应用方法及实例

介绍了热点应力法在焊接板结构中的应用现状,给出了采用有限元法确定钢桥构件热点应力时的单元类型、单元尺寸的选择及外推计算方法。并对一座实桥采用热点应力法对其纵梁腹板竖向加劲肋下端焊趾进行了疲劳评定,计算结果与实际结构状态较为吻合,表明采用热点应力法对钢桥构件因面外变形引起次应力导致疲劳损伤的细节进行评定的有效性。     

UHPC铺装正交异性钢桥面板纵肋-面板焊缝构造细节的疲劳研究

为研究UHPC组合桥面铺装下纵肋-面板构造细节的疲劳性能,开展随机车流作用下的佛陈扩建西桥疲劳试验。研究结果表明:纵肋-面板构造细节面板侧应力幅显著小于纵肋侧,说明UHPC桥面铺装显著增大了桥面刚度,减小了面板的局部应力响应,并显著减少了通行货车对面板的疲劳加载次数。纵肋-面板构造细节能清晰地分辨每个单轴,也即货车每个轴均能产生一个应力幅。在当前随机车流作用下,纵肋-面板构造细节的最大应力幅都小于其常幅疲劳极限,可知佛陈扩建西桥纵肋-面板构造细节具有无限疲劳寿命。     

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.     

高铁钢桁拱的桥面疲劳细节与受力特性研究

研究目的:为研究高速铁路大跨连续钢桁梁柔性拱桥正交异性钢桥面板疲劳细节的局部受力,本文以银西高铁银川机场黄河特大桥为背景,建立横梁弧形切口以及U肋与顶板连接焊缝两处疲劳细节的精细化有限元模型,分析列车移动荷载作用下疲劳细节处的应力分布,并对比分析不同弧形切口形状和横梁腹板厚度对疲劳细节局部应力的影响规律。研究结论:(1)正交异性钢桥面的U肋-横梁位置的弧形切口处在移动活载下容易出现应力集中,且弧形切口起始处与弧形切口自由边所对应的最不利活载位置不同,在轨枕横向两侧端部下方的横梁弧形切口起始处以及弧形切口自由边容易出现最大主应力;(2)横梁板厚对弧形切口自由边的主压应力影响最大,且随板厚增大该处主压应力减小,对本工程当板厚由16 mm增加至20 mm时,主压应力减小幅度超过20%;(3)不同弧形切口形状对疲劳细节的局部应力也有较大影响,与原设计切口形状相比,日本设计规范所推荐切口形状的主应力极值最小;(4)为提高正交异性钢桥面板的疲劳特性,对U肋-横梁疲劳细节进行局部构造优化是必要的,研究成果对同类型结构的优化设计具有理论指导意义。     

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.     

正交异性钢桥面板构造参数的优化

针对正交异性钢桥面板的疲劳问题,从构造参数优化设计方面研究了提高其疲劳性能的途径。在满足JTG D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》对受力、变形及构造要求的前提下,采用ABAQUS建立有限元模型并进行试算,对正交异性钢桥面板的构造参数开展优化设计研究,给出了一组面板厚度为16～32 mm(增量为2 mm)时,U形肋尺寸和间距、横隔板高度和间距等参数合理匹配的建议值。     

钢-UHPC组合桥面闭口纵肋-横隔板接头疲劳性能

为研究新型钢-UHPC组合正交异性桥面纵肋-横隔板接头疲劳性能,基于一座现场桥梁,建立精细化双尺度有限元模型,获得构造细节在轮载下的应力响应.分析其力学特性,并采用热点应力法评估其疲劳性能.研究结果表明:纵肋-横隔板接头应力状态复杂,构造细节处存在显著应力集中,为疲劳易损细节.焊缝末端细节以面外弯曲应力为主,包括扭转效应与泊松效应;横隔板侧细节由面内应力和面外应力组成.为进一步改善纵肋-横隔板接头疲劳性能,分析了UHPC刚度效应,并探讨切口尺寸的影响.通过将50 mm厚UHPC层与40 mm切口间隙相结合,使纵肋-横隔板接头实现了无限疲劳寿命,能应用于交通量大的桥梁工程.     

钢管混凝土桁架拱桥板—管焊接节点热点应力集中系数研究

钢管混凝土桁架拱桥板—管焊接节点应力集中程度高,疲劳问题突出,是影响桥梁寿命的关键因素。基于国际焊接协会提出的热点应力计算方法,利用ANSYS软件建立精细有限元模型,研究各种典型荷载作用下板—管焊接节点焊趾处的热点正应力、热点剪应力集中系数。结果表明:热点正应力集中系数在约1/4焊缝长度处最大,外焊缝大于内焊缝,节点板焊趾大于钢管焊趾,内焊缝钢管焊趾处均为压应力;剪应力集中系数在焊缝两端最大,中间最小,内焊缝钢管焊趾剪应力流方向与外焊缝相反;节点板两端直角构造改为圆弧构造,能显著降低端焊缝热点正应力集中程度;板—管焊接节点处于拉—剪联合作用复杂应力场,应综合考虑正应力、剪应力集中,焊缝端点和约1/4焊缝长度处应力集中程度最高,建议作为疲劳设计的"热点"。     

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。     

钢箱梁面板-纵隔板构造细节轮载应力响应特征分析

为研究车辆通行下正交异性钢箱梁面板-纵隔板构造细节轮载应力特征,建立带纵隔板的正交异性钢桥面板有限元分析模型,计算并对比轮载沿不同横桥向位置在纵桥向移动工况,面板-纵隔板构造细节及横桥向两侧疲劳敏感构造细节的应力响应。研究结果表明:纵肋-面板和纵隔板-面板构造细节均可分辨轴组中的单轴,因此,在疲劳荷载模型三规定的车辆通行下,每个构造细节将产生4个应力循环;应力峰值均发生在顺桥向两联轴的其中一个轮轴作用应力监测位置的正上方;当横桥向轮载中心位于纵隔板正上方时,纵肋-面板构造细节将在面板侧产生比其他横桥向轮载工况下更大的应力响应和应力幅;当桥面轮载从纵隔板一侧移动到另外一侧,或货车变道,或货车蛇行,均将导致纵隔板-面板构造细节的纵隔板侧产生较大的拉压应力幅。在设计带纵隔板的正交异性钢桥面板时,纵隔板不应布置在车道轮迹线正下方或紧靠车道轮迹线,而应远离车道轮迹线布置。且桥梁管理单位宜在桥面设置明显的标识,禁止桥面货车变道。     

工形梁竖向加劲肋端部疲劳性能及加固方法研究

对我国既有铁路钢桥调研发现有些钢梁已产生疲劳裂纹,其中工形梁腹板竖向加劲肋端部裂纹较多。随着运营列车轴重和运营时间的增加,这些裂纹可能会进一步扩展,须采取相应措施对结构予以补强。本文针对64 m下承式钢桁梁的纵梁腹板竖向加劲肋端部构造,设计疲劳试件并展开疲劳试验,得到该构造的热点应力疲劳强度,为实桥疲劳评估提供依据。通过设计节段模型进行了不同加固方法的疲劳试验,掌握了节段模型加固前后的疲劳性能,并提出了在翼缘增设角钢的加固方法。     

正交异性钢桥面板构造细节改进的探讨

鉴于正交异性钢桥面板在铁路桥梁上应用的增多及其疲劳裂纹的多发性,分析了正交异性钢桥面板疲劳裂纹的成因,系统地汇总了正交异性钢桥面板纵肋截面、纵肋与面板连接、横肋与面板连接、纵肋与横肋交叉部位、钢桥面板现场连接形式、U型肋形式等构造细节的演变历程及各国规范相关最新研究成果和规定.     

超声冲击和机械打磨提高SMA490BW钢焊接接头超高周疲劳性能

为提高转向架焊接构架焊接接头的超高周疲劳性能,分别采用不同冲击参数和冲击方式下的超声冲击和机械打磨,处理动车组转向架用SMA490BW钢的焊接接头,并利用超声疲劳试验系统测试处理前后焊接接头的超高周疲劳性能。通过残余应力测试、金相组织和断口形貌观察,分析用超声冲击和机械打磨提高SMA490BW钢焊接接头超高周疲劳性能的机理。结果表明:在330 MPa应力条件下原始焊态接头的平均疲劳寿命约为0.252×107周次,经机械打磨后疲劳寿命可提高至1.232×107周次,提高约5倍;在2.0A冲击电流下对焊趾及焊根处进行20min的局部超声冲击后,其疲劳寿命可达4.978×107周次,提高约20倍;残余压应力的引入、表层晶粒的细化和焊趾外形的修整是焊接接头疲劳性能得到提高的主要原因;焊接接头经过超声冲击强化后,疲劳裂纹的萌生位置可能从焊趾或焊根处转移到材料表面其他缺陷处。     

铁路货车制动管焊接残余应力测试与焊接组装工艺改进

应用钻孔法对脱轨阀制动管进行了焊接残余应力测试，测试结果表明原焊接工艺条件下，由于制动管管身端部在焊接热的作用下伸长变形受到限制，加剧了焊缝处的径向收缩变形，导致焊趾处产生较大的残余拉应力，在外载荷的二次应力作用下，制动管焊趾处承受了较大的拉应力，增加了制动管焊缝处的疲劳破坏几率。通过对焊接组装工艺改进，降低了制动管焊后焊趾处的残余拉应力，可有效提高制动管疲劳寿命。     

公铁同层大挑臂钢箱梁正交异性桥面板疲劳特性研究

为深化认识大挑臂钢箱梁正交异性钢桥面板的疲劳问题，以世界首座公铁同层大挑臂钢箱梁斜拉桥——金海大桥为背景，采用ANSYS软件建立钢箱梁节段精细化有限元模型，分析了多种工况下箱梁在有挑臂和无挑臂处顶板、U肋及横隔板关键疲劳细节的应力状态、应力影响面等，并对比分析了箱梁疲劳特性在横桥向的差异。结果表明，大挑臂钢箱梁的顶板-U肋细节应力影响面长宽约为2个U肋和2道横隔板，与普通闭口钢箱梁无异，而横隔板-U肋细节应力影响面长宽约为7个U肋和3道横隔板，远超普通闭口钢箱梁同类细节应力影响范围；箱梁在不同区域的部分同类疲劳细节受力状态存在明显差异，沿纵桥向，分别在有挑臂和无挑臂处的横隔板开孔底边细节应力差距高达85.4%;沿横桥向，靠近箱梁中心线的内侧车道为最不利加载车道，该车道内横隔板侧边开孔细节最不利应力幅可高出其他车道57%;箱梁各疲劳细节对轮载横向分布位置十分敏感，其沿横桥向疲劳特性差异主要由横梁整体弯剪变形引起，同时，邻车道疲劳荷载对横隔板侧边开孔细节应力幅影响超过38%。因此，多车效应不宜忽略，根据重车车流量统计推算，本桥多车效应系数建议取值1.05。     

宣杭铁路埭溪桥钢板梁加固施工技术

针对铁路既有线下承式钢板梁纵横梁联接处普遍存在的纵梁腹板裂纹病害,结合宣杭铁路埭溪桥钢板梁加固工程,分析得出该处裂纹是由于设计构造细节上的缺陷以及局部应力集中等多种因素引起的疲劳裂纹。通过提高纵梁端部腹板的强度,在纵横梁联接部位栓接角钢的加固方案,改变纵梁的内力分布,改善纵梁的应力水平,提高钢桥的承载能力,并在此基础上,提出加固施工要点,可为同类病害桥梁加固设计与施工提供参考。     

超声波冲击对转向架构架焊缝残余应力的处理效果研究

为了研究超声波冲击对轨道客车转向架构架焊接残余应力处理效果的影响,对对接试板及构架的对接焊缝分别进行了超声波冲击处理。采用X射线衍射法,对处理后的焊缝及热影响区表面进行了残余应力测试。测试结果显示：对接焊缝的纵向应力峰值出现在距焊趾2 mm处,拉应力值达到410 MPa,从焊缝中心线到焊趾外25 mm范围内的应力梯度达460 MPa;经超声波冲击处理后,纵向应力降至-400 MPa左右,应力梯度降至约150 MPa。横向应力峰值出现在距离焊趾5～10 mm处,应力值-50 MPa～50 MPa。超声波冲击处理再经打砂后,对接焊缝的表面残余应力水平相当,分布更加均匀,应力梯度降至100 MPa以内。研究结果表明：超声波冲击处理方法能够大幅削减焊缝区表面的高值拉应力,并将残余应力的分布明显均匀化。该方法对于削减转向架构架产品局部的高值拉应力具有实际应用价值。