轮迹线位置对钢桥面板横隔板交叉细节疲劳应力影响分析

正交异性钢桥面板疲劳性能较差,构造细节易发生疲劳开裂,其中横隔板交叉细节的疲劳损伤最为突出。为研究车辆轮迹线位置对横隔板交叉细节疲劳性能的影响,分别以围焊和开孔部位为研究对象,计算得到典型横向轮迹线位置下的疲劳应力历程曲线。结果表明:围焊和开孔部位的疲劳应力幅均在轮迹线处于纵肋腹板正上方典型工况时达到最大值,分别为67.4MPa和109.7MPa,其中开孔部位疲劳应力峰值较大,应加强该部位的优化设计和加工质量控制。

铺装层对钢桥面板横隔板处纵肋顶板连接细节疲劳应力的影响分析

为研究铺装层对横隔板处纵肋顶板连接细节疲劳应力的影响,文章基于热点应力评估方法,建立了包含该细节局部子模型的有限元分析模型。数值模拟结果表明:在该模型结构尺寸下,考虑铺装层与顶板联合作用后,横隔板处纵肋顶板连接细节热点应力幅由59.6 MPa降至51.2 MPa。考虑到大跨度桥梁环境状况复杂,建议疲劳设计时不考虑铺装层与顶板的联合作用。

纵肋与横隔板交叉构造细节穿透型疲劳裂纹扩展特性及其加固方法研究

纵肋与横隔板交叉构造细节是正交异性钢桥面板最易发生疲劳开裂的构造细节,通过建立有限元数值模型,采用断裂力学方法,研究栓接角钢加固方式对该处疲劳易损细节穿透型裂纹的加固效果。基于疲劳试验足尺节段模型相对应有限元模型,建立了纵肋与横隔板焊接处穿透型疲劳裂纹模型,针对栓接角钢和纵肋外侧栓接钢板两种加固技术的加固效果进行评估。研究结果表明:钢桥面板纵肋与横隔板交叉构造细节的疲劳裂纹扩展至一定长度后将发展成穿透型裂纹,裂纹面受力复杂,纵肋腹板内外侧疲劳裂纹扩展特性表现的不一样,但是随着裂纹扩展的逐步进行,裂纹尖端的开裂模式均以复合型开裂为主;栓接角钢加固方式主要抑制纵肋与横隔板交叉构造细节易损部位疲劳裂纹的I型开裂,因此能很好地抑制短裂纹的扩展,但对于该细节处以复合形式扩展的穿透型疲劳裂纹的加固效果并不显著;在纵肋外侧栓接半U形钢板的加固方法能有效改善穿透型疲劳裂纹的等效应力强度因子,并且加固之后均保持在裂纹扩展阈值以下,表明该加固方式对穿透型疲劳裂纹有良好加固效果。

正交异性板横隔板U肋交叉处构造细节的受力性能研究

正交异性板在桥梁工程中有着广泛的运用,但其容易发生疲劳破坏问题。为了研究正交异性板横隔板U肋交叉处构造细节的受力性能,设计了两种常用的弧形开槽形式进行仿真分析。模型一的开孔形式为苹果形,顶板与U肋横肋交叉处设置过焊孔;模型二的开孔形式为圆弧形,顶板与U肋横肋交叉处不设过焊孔。通过仿真分析结果可知,圆弧形开槽(不设过焊孔)在横隔板U肋交叉处的受力性能比苹果形优越得多,所得结论可为后续此类细节的构造形式设计提供参考。

钢桥面板横隔板交叉细节疲劳性能分析

钢桥面板疲劳性能是钢桥全寿命周期的关键控制因素,而横隔板交叉细节是钢桥面板的典型构造细节,该细节疲劳裂纹占比高、危害突出。文章为研究横隔板交叉细节的疲劳性能,借助有限元分析软件,分别建立了不考虑铺装层和考虑铺装层两类有限元模型,得到了该细节疲劳应力历程曲线。结果表明:横隔板交叉细节受力复杂,主要受主拉应力作用;考虑铺装层作用后,围焊处疲劳应力幅降低不明显,建议横隔板交叉细节在进行抗疲劳设计时不计铺装层与钢桥面板的联合作用。

基于切口应力法的钢桥面板横隔板处纵肋与顶板焊接细节疲劳寿命评估

文章以钢桥面板横隔板处纵肋与顶板焊接细节为研究对象,基于切口应力方法,建立了包含焊根切口子模型的ANSYS疲劳节段有限元分析模型,对该细节实际疲劳寿命进行了系统研究。结果表明:三种典型加载工况中,纵肋正上方加载工况下所得到的切口应力幅最为不利,其数值为203.5 MPa;验证了采用ⅡW所推荐的FAT225级S-N曲线对于钢桥面板构造细节疲劳寿命评估的有效性和适用性;基于FAT225级S-N曲线,得到了横隔板处纵肋与顶板焊接细节疲劳寿命为270.6万次,满足规范要求。

正交异性钢桥面板纵肋与横隔板的主导开裂模式研究

为给正交异性钢桥面板纵肋与横隔板交叉构造细节的正交异性抗疲劳设计提供理论依据,以某大桥正交异性钢桥面板设计方案为背景,建立包含纵肋与横隔板交叉构造细节的正交异性钢桥面板有限元模型,分析关键结构设计参数对该构造细节各开裂模式应力幅的影响,以及该构造细节主导开裂模式的迁移机制。结果表明:纵肋与横隔板交叉构造细节各开裂模式的纵向应力影响线主要分布在关注部位相邻跨范围内,横向应力影响线主要分布在关注部位相邻2个纵肋范围内;顶板厚度对各开裂模式应力幅影响较小,不会使主导开裂模式迁移;横隔板厚度和间距对各开裂模式应力幅影响程度的差异显著,随着横隔板厚度和间距的增加,该构造细节的主导开裂模式发生迁移。

钢桥面板纵肋与横隔板交叉细节疲劳应力有限元分析

为系统探究纵肋与横隔板交叉细节的疲劳特性,以某斜拉桥钢桥面板为研究背景,利用ANSYS有限元软件,对2跨3纵肋节段疲劳模型进行了数值模拟。研究结果表明:当疲劳车轮载单侧前后轮中心线通过横隔板正上方时,纵肋与横隔板交叉细节的疲劳应力幅达到最大;在欧规疲劳车荷载下,围焊焊趾处疲劳应力幅为83.6 MPa,横隔板开孔圆弧线上的最大疲劳应力幅为120.2 MPa。

钢桥面板U肋-横隔板连接接头应力分析

采用有限元方法对我国常用的实腹式横隔板扁平钢箱梁钢桥面板结构进行了应力分析,研究了U肋-横隔板连接接头疲劳裂纹的产生机理及主要影响因素,并对几种常见的横隔板弧形切口形状及内肋式构造、底部固定式构造等新型构造的效果进行了比较。研究表明,传统构造4和新型内肋式构造21的受力性能较为理想,但普遍适用于不同疲劳裂纹形式、加载条件、横梁高度、制造工艺的最优构造形式并不存在,需要采用基于性能的方法进行U肋-横隔板连接接头疲劳设计。

轻型组合桥面板球扁钢纵肋-横隔板连接细节局部应力分析

为降低正交异性钢桥面板疲劳开裂的风险,提出带球扁钢纵肋的轻型组合桥面板方案。以洞庭湖二桥轻型组合桥面板为工程背景,建立钢桁梁局部有限元模型和球扁纵肋-横隔板连接细节的子模型,并基于热点应力法,对横隔板上开孔孔型和厚度进行了参数分析。研究表明:球扁纵肋-横隔板连接处3个典型疲劳细节的疲劳性能受横隔板厚度影响显著;综合比较,苹果型开孔的疲劳性能最优。为进一步验证轻型组合桥面板的球扁钢纵肋-横隔板连接处3个细节的疲劳性能,开展了足尺模型疲劳试验,试验模型采用16mm厚带苹果型开孔的横隔板设计。疲劳试验中,控制细节(横隔板切口自由边缘)的应力幅为90.6MPa,历经250万次循环加载后,试验模型中典型疲劳细节均未出现疲劳裂纹。这表明,带球扁钢纵肋的轻型组合桥面板关键细节的疲劳性能良好,能满足洞庭湖二桥的工程要求。

钢桥面板纵肋与横隔板焊接细节疲劳开裂的加固研究

为研究钢桥面板疲劳开裂部位栓接角钢的加固方法,采用足尺模型试验对纵肋与横隔板焊接细节疲劳裂纹的加固效果进行研究,采用ANSYS建立了含有疲劳裂纹的有限元模型,并基于断裂力学理论对比研究疲劳裂纹不同长度条件下的加固效果.研究结果表明:纵肋与横隔板焊接细节的疲劳裂纹起裂于焊趾并沿纵肋腹板扩展,采用栓接角钢加固后可以使开裂部位关键测点的主拉应力和裂尖各测点的应变分别降低56%和80%,能够有效抑制疲劳裂纹的扩展;栓接角钢加固后裂尖的应力强度因子幅值最少降低80%,裂纹扩展速率显著降低;对贯穿纵肋腹板前不同长度的疲劳裂纹进行加固,裂尖应力强度因子幅值均降低60%~90%,但随着疲劳裂纹长度的增加,栓接角钢的加固方法对裂纹扩展的抑制效果不断降低,加固时机的合理选取是影响加固效果的关键因素之一.

宽幅钢箱梁横隔板与U肋过焊孔构造研究

宽幅钢箱梁横向受力较大的特征使得横隔板与U肋过焊孔周边细节构造容易出现疲劳破坏。为提高该细节构造的疲劳性能,以沌口长江公路大桥为背景,针对横隔板U肋过焊孔的常用形式,采用ANSYS软件建立钢箱梁节段的有限元模型,通过仿真分析比较不同形式过焊孔的结构强度及疲劳性能,结合其局部受力机理及参数化分析,提出改进的过焊孔形状和加厚横隔板顶部齿形板的优化措施,并利用损伤度原理验证改进效果。结果表明:提出的横隔板与U肋过焊孔改进形式明显改善了该细节构造的疲劳性能;加厚横隔板顶部的齿形板,可明显降低过焊孔的疲劳应力幅,提高其疲劳寿命。

纵肋与横隔板新型构造细节焊接残余应力分布研究

为了解在正交异性钢桥面板中将纵肋底板与横隔板焊接的新型构造细节疲劳性能,对纵肋与横隔板构造部位的焊接过程进行数值模拟,分析新型构造细节与传统构造细节焊接残余应力的分布特征;通过改变焊接顺序,研究焊缝生成顺序对新型构造细节残余应力分布的影响。结果表明:新型构造细节的纵、横向残余应力较传统构造细节均有大幅降低,纵肋底板围焊端部焊趾附近纵横向残余应力均达到220 MPa以上,极易成为新的疲劳易损部位;改变新型构造细节纵肋腹板与底板的焊接顺序,仅影响残余应力数值,合理的焊接顺序为先焊纵肋腹板,后焊纵肋底板。

基于热点应力法的钢箱梁横隔板焊接节点疲劳性能研究

在运营活载作用下,正交异性钢桥面板的破坏往往体现为各板件焊缝的疲劳破坏。尤其纵肋与横隔板焊接细节的焊址是疲劳裂纹最容易萌生的部位。为了研究该焊接细节的疲劳性能,以苏通大桥为工程案例,建立钢箱梁纵肋与横隔板焊接细节有限元模型。通过采用热点应力法对纵肋与横隔板焊接细节焊缝周围的热点应力进行详尽的数值模拟,在全面分析单元类型与单元尺寸对数值计算结果的影响的基础上,通过现场试验测试对数值计算结果进行对比验证。最后采用热点应力法与名义应力法分别预测该焊接细节的疲劳寿命,并与纵肋与顶板焊接细节对比,结果表明采用热点应力法FAT90计算结果更准确,且该焊接细节相对于其他焊接细节更容易发生疲劳破坏。

制作误差对纵肋与横隔板焊接细节疲劳抗力的劣化效应

纵肋与横隔板焊接细节是正交异性钢桥面板中的典型疲劳易损细节。受到制作焊接技术等因素的制约,该处构造细节的制作误差难以完全规避。为探究其对关注细节疲劳抗力的劣化效应,针对模型试验中产生的制作误差,基于线弹性断裂力学的扩展有限元方法(XFEM),建立含裂纹有限元模型。通过对构造细节的第一主应力场以及断裂力学计算结果的分析对比,得到制作误差对纵肋与横隔板焊接细节疲劳抗力的劣化效应。研究结果表明:试验模型中产生了横隔板犄角切割垂直度误差(Ⅰ区)与横隔板开孔切割断面凹陷误差(Ⅱ区),其中I区制作误差的产生难以改变疲劳裂纹开裂模式;Ⅱ区制作误差削弱了横隔板开孔犄角处的纵向刚度,减轻了横隔板对围焊下方的约束;Ⅱ区制作误差一旦产生,横隔板弧形开孔处Ⅰ—Ⅲ型应力强度因子幅值均会迅速增大,随着制作误差的增加,Ⅰ—Ⅲ型应力强度因子幅值増势减缓。相对于无制作误差工况,Ⅱ区初始制作误差工况关注细节疲劳寿命减少了21. 4%,试验制作误差工况关注细节疲劳寿命减少了28. 5%。

带内隔板的大U肋钢-UHPC组合桥面板力学性能分析

为优化钢-超高性能混凝土(UHPC)正交异性组合桥面板中U肋截面形式,分析传统U肋与大U肋截面形式下正交异性钢桥面板中U肋与顶板相交处、横隔板与U肋相交处、横隔板弧形切口处3个典型疲劳细节处的应力历程和应力幅,引入内隔板增强大U肋钢-UHPC组合桥面板的疲劳薄弱细节。结果表明,相较于传统U肋截面,采用大U肋钢-UHPC正交异性组合桥面板,横隔板与U肋相交处、横隔板弧形切口处的应力幅降低,U肋与顶板相交处的应力幅增大,但引入内隔板构造能较好地降低该处的应力幅,使3个典型疲劳细节处的疲劳强度都能满足规范要求,带内隔板的大U肋钢-UHPC组合桥面板具有较好的抗疲劳性能。

钢桥面板纵肋与横隔板焊接细节表面缺陷及疲劳效应研究

初始焊接缺陷是影响结构件疲劳性能的关键因素之一。在断裂力学评估框架下引入特征化初始焊接缺陷,结合相互作用积分法与复合断裂准则解决由表面缺陷所导致的复合型疲劳裂纹扩展问题,在此基础上编写裂纹扩展模拟程序,建立表面焊接缺陷效应评价方法,通过分析揭示了不同形态和尺度的初始焊接缺陷对于钢桥面板纵肋与横隔板构造细节裂纹扩展关键性度量指标和疲劳寿命预测的影响。结果表明:所建立的方法可有效用于评估焊趾部位表面焊接缺陷对于疲劳性能的效应;面状缺陷对于裂纹扩展度量指标和疲劳寿命预测结果的影响更为显著,其初始缺陷深度和形态均是影响疲劳性能的关键因素,体积型缺陷对于疲劳寿命的影响主要由深度方向的缺陷尺寸决定;焊接缺陷的形态和几何参数取值应根据工程实际和规范建议值共同确定,直接简化为面状缺陷会低估结构件的疲劳寿命;考虑焊接缺陷不确定性的可靠度评估方法尚需进一步研究。

钢桥面横隔板与U肋焊接处残余应力场分析

为了解正交异性钢桥面板横隔板与U肋焊接处残余应力分布特征,明确横隔板弧形切口疲劳开裂机理,采用热-结构耦合方法建立横隔板-U肋焊接连接的热弹塑性有限元模型,通过“生死单元”技术模拟焊缝的填充过程,得到焊接温度场与应力场,分析横隔板焊缝和弧形切口处残余应力的分布规律。结果表明:横隔板焊趾处纵向残余应力为拉应力,峰值为345 MPa,横向残余应力在焊缝开始位置和尾部区域为拉应力,在焊缝中间应力水平较低;横隔板弧形切口附近残余应力变化剧烈,且沿切口弧线长度和钢板厚度分布不均匀;从切口顶点到起弧点位置,残余应力从压应力变化为拉应力,起弧点处应力峰值为231 MPa;焊接引起的焊缝尾部高水平残余应力是导致横隔板弧形切口疲劳开裂的关键因素。

横隔板加劲肋对钢桥面板疲劳细节受力的影响

为明确横隔板加劲肋对正交异性钢桥面板疲劳细节受力的影响,建立钢桥面板节段有限元模型,考虑不同车辆荷载作用位置,分析是否设置加劲肋对横隔板变形的影响,基于最不利车辆荷载工况,对比研究设加劲肋模型和无加劲肋模型的弧形缺口与横隔板-U肋焊缝细节的应力和面内外变形特征.结果表明:加劲肋显著增加了横隔板的面外变形,导致弧形缺口和横隔板焊趾细节的面外变形大幅增加,促进疲劳裂纹的萌生与扩展;设加劲肋侧的横隔板焊趾主拉应力与另一侧焊趾主压应力显著增加,疲劳开裂风险上升.

正交异性钢桥面板U肋与横隔板焊接接头疲劳性能研究

针对正交异性钢桥面板U肋与横隔板焊接接头处的疲劳性能问题,通过有限元计算和试验对比分析,确定此焊接部位为疲劳问题应关注的细节之一,验证可通过U肋尺寸与剖口形式的优化设计进而改善此部位的疲劳性能,同时验证该试件在200万次的实桥等效疲劳作用次数下未开裂,设计符合要求。研究成果对今后的此类桥梁结构设计以及疲劳问题的研究具有一定的参考价值。