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。

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。

钢桥面板U肋与顶板双面焊连接疲劳性能研究

为确定钢桥面板U肋与顶板双面焊连接相比单面焊连接疲劳性能的改善效果,以某实桥正交异性钢桥面板节段为对象,采用ANSYS软件建立有限元模型,计算不同工况下各疲劳易损部位的切口应力幅,并分析双面焊连接疲劳性能的影响因素。结果表明:U肋与顶板双面焊连接的最大切口应力幅比单面焊时减小19.1%,能有效提高U肋与顶板连接焊缝的疲劳性能;U肋与顶板单面焊连接的最不利疲劳易损部位为焊根,而双面焊连接的最不利疲劳易损部位变为外侧焊趾;焊缝未熔透间隙长度和高度对U肋与顶板双面焊连接疲劳性能的影响较小;增大焊缝和顶板夹角可显著降低双面焊连接的最大切口应力幅,提高U肋与顶板双面焊连接的疲劳性能。

钢桥面顶板-U肋全熔透双面焊构造细节疲劳性能研究

为研究钢桥面板顶板-U肋全熔透双面焊构造细节疲劳性能,以深中通道伶仃洋大桥正交异性钢桥面板为对象,采用Abaqus软件建立钢桥面板节段有限元模型,基于预测车流数据,计算全熔透双面焊顶板-U肋焊接构造细节的等效应力幅;开展14个顶板-U肋试件疲劳试验,评估全熔透双面焊顶板-U肋焊接构造细节的疲劳强度;基于试件焊缝尺寸的测量结果,建立有限元模型计算不同焊缝尺寸对疲劳性能的影响。结果表明:等效疲劳车荷载下全熔透双面焊顶板-U肋焊接构造细节的等效应力幅为71.9 MPa;试件的疲劳裂纹多发育于U肋内焊趾,采用名义应力法计算得到该疲劳细节的疲劳强度约为76.8 MPa,高于有限元计算所得的等效应力幅和我国现行规范中的建议值;焊缝尺寸增大会降低内焊趾部位的等效应力幅,焊缝尺寸对外焊趾部位等效应力幅影响较小。

基于断裂力学的钢桥面板纵肋顶板焊接细节疲劳性能对比研究

正交异性钢桥面板纵肋顶板传统单面焊焊接细节疲劳危害突出,文章采用新型双面焊焊接细节是提高其疲劳抗力的有效措施之一。针对纵肋顶板两类焊接细节,基于断裂力学评估方法,采用ANSYS有限元软件,分别在其主导疲劳失效模式裂纹萌生点位置引入初始裂纹,对其疲劳性能进行了深入系统的对比研究,结果表明:钢桥面板纵肋顶板单面焊和双面焊焊接细节疲劳裂纹扩展模式均为I型为主的复合型裂纹扩展模式,两类焊接细节I型和III型裂纹扩展规律基本一致,但II型裂纹扩展特性存在显著差异;在标准疲劳车最不利荷载工况作用下,纵肋顶板单面焊和双面焊焊接细节疲劳寿命分别为739.0×104次和1 075.3×104次,双面焊焊接细节疲劳寿命约提高了1.46倍,其疲劳性能更优。

新型U肋与顶板双面焊接残余应力场的超声冲击调控方法研究

新型U肋与顶板双面焊接构造相比传统单面焊构造焊接工序更多、焊接残余应力场更为复杂,发展适用于该新型构造焊接残余应力场调控的焊后处理措施对其进一步推广和应用具有重要意义。为探究超声冲击处理技术对该新型构造焊接残余应力场的调控效应,利用热-应力顺序分析方法对该新型构造的焊接过程进行模拟,以获得其焊接温度场和焊接残余应力场分布。在此基础上,利用应力、应变初始化技术将焊接残余应力场导入超声冲击模型,使之成为超声冲击模型的初始分析状态。最后,基于动力显式分析方法对超声冲击过程进行模拟,模型中采用质量比例阻尼技术来降低动力显式分析过程中的数值震荡。为说明该多步骤顺序分析有限元模型的合理性,分别从多个方面对模型进行验证:将计算熔化区形状与焊缝形貌进行对比来验证计算温度场的正确性;将计算纵、横向焊接残余应力分布与测试数据对比来验证计算焊接残余应力场的正确性;将计算冲击坑形状与实际形状对比、冲击后残余应力与测试数据对比来说明超声冲击过程模拟的正确性。在有限元模型正确性得到充分验证的基础上,开展超声冲击处理对新型U肋与顶板双面焊构造焊接残余应力场的调控效应研究,并对不同冲击次数和不同冲击速度下焊缝区域残余应力场的变化进行分析。研究结果表明:该多步骤顺序分析有限元模型能够准确模拟超声冲击处理对新型U肋与顶板双面焊接构造焊接残余应力场的调控效应;经超声冲击处理,新型U肋与顶板双面焊接构造焊趾区域残余应力状态由拉转为压,应力降低幅度最大值为427.2 MPa;自顶板下表面至一定深度范围内均存在残余压应力,且最大压应力值出现在顶板亚表面;随超声冲击针冲击次数增加,新型U肋与顶板双面焊构造顶板下表面残余压应力量值、冲击影响深度均逐渐增大;随超声冲击针冲击速度增大,所引入的残余压应力最大值的分布深度逐渐增大,当冲击速度增大至7 m/s时,残余压应力最大值的分布深度已达0.8 mm。

钢桥面板顶板-U肋双面焊连接焊缝焊接残余应力分析

为研究钢桥面板顶板-U肋双面焊连接焊缝的残余应力分布,建立了有限元模型.通过对比单面焊接与双面焊接模型计算结果,分析了顶板-U肋连接焊缝温度场与残余应力分布.同时讨论了顶板厚度与角焊缝焊接顺序对残余应力的分布影响.研究表明:相比单面焊,双面焊模型焊缝附近残余应力更低,且应力梯度更大,疲劳性能更优越.而增加顶板厚度和采用两条角焊缝先后焊接的操作顺序均有助于降低先焊接焊缝一侧的应力、增大焊缝附近应力梯度,并促使应力拐点的提前出现.

全熔透双面焊U肋顶板焊缝焊脚尺寸影响的研究

为确定新型正交异性钢桥面板双面焊内外侧焊缝焊脚尺寸对焊接疲劳性能的改善效果,以云南金安金沙江大桥正交异性钢桥面板节段为分析对象,通过建立有限元模型,计算不同焊缝参数下顶板与U肋焊接细节疲劳易损部位的热点应力,分析各焊缝参数对疲劳性能的影响。研究结果表明:增大双面焊焊缝焊脚尺寸能在一定范围内降低疲劳易损细节的热点应力,提高疲劳寿命;增大内侧焊缝焊脚尺寸较增大外侧焊缝焊脚尺寸能更有效地降低疲劳易损细节的热点应力,提高顶板与U肋焊接构造细节疲劳寿命;在其他参数相同时增大某一焊脚尺寸只能提高部分疲劳易损细节的热点应力,但也会导致另外部分疲劳易损细节的热点应力增加。

单/双焊接构造对钢桥面板焊接节点残余应力的影响研究

为了研究单/双面焊接构造对钢桥面板顶板纵肋焊接节点残余应力的影响,基于热结构顺序耦合有限元分析方法,对顶板纵肋单/双面焊接节点进行数值模拟,得到了垂直/平行于焊缝方向的横/纵向残余应力分布,并用试验数据进行验证。研究结果表明,双面焊构造会不同程度地增加垂直/平行于焊缝方向的横/纵向残余应力大小和焊接热影响区,改变横/纵向残余应力最大值出现的位置,从而影响疲劳危险点验算。成果为顶板纵肋双面焊节点抗疲劳性能研究提供参考。

深圳至中山跨江通道钢桥面板结构疲劳试验研究

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特性的正交异性钢桥面板结构。依托深圳至中山跨江通道项目,在钢桥面板结构中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两类构造细节,设计9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、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和实际疲劳抗力;采用扫描电子显微镜(SEM)确定了不同制造工艺条件下纵肋与顶板焊接细节的初始制造缺陷尺度;采用等效结构应力法确定了两类细节各疲劳开裂模式的疲劳抗力。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,其疲劳抗力为95.1~98.7MPa,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,其疲劳抗力为108.5~123.2MPa,且在相同加载条件下,双面埋弧焊构造细节的疲劳抗力高于双面焊气体保护焊构造细节的疲劳抗力;传统单面焊构造细节焊根的初始制造缺陷尺度显著大于新型双面焊构造细节焊趾的初始制造缺陷尺度,且双面埋弧焊的初始制造缺陷尺度小于双面气体保护焊的初始制造缺陷尺度,初始制造缺陷尺度的差异是不同制造工艺条件下纵肋与顶板焊接细节疲劳抗力存在差异的主要原因;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,两类构造细节的起裂次数基本一致,但新型构造细节的疲劳裂纹扩展速率远低于传统构造细节的疲劳裂纹扩展速率;纵肋与顶板焊接构造细节和纵肋与横隔板交叉构造细节各疲劳开裂模式的实际疲劳抗力基本位于主S-N曲线±2σ之间。

伍家岗长江大桥纵肋与顶板细节疲劳性能研究

纵肋与顶板构造细节疲劳开裂是正交异性钢桥面板结构的典型疲劳病害,疲劳裂纹一旦裂穿顶板将引发铺装层破损和渗水锈蚀等次生病害,严重危害钢箱梁的耐久性和安全性。由于传统的焊接技术只能在闭口纵肋外侧单面施焊,使得纵肋与顶板传统单面焊构造细节焊根位置存在天然的"类裂纹"构造,导致其焊根位置疲劳开裂问题突出。为解决纵肋与顶板传统单面焊构造细节焊根位置疲劳开裂难题,依托伍家岗长江大桥项目,通过引入纵肋内焊技术,发展纵肋与顶板新型双面焊构造细节,以提升其疲劳性能。以纵肋与顶板构造细节为研究对象,基于等效结构应力法对其疲劳性能进行了系统研究,首先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各疲劳开裂模式的影响面,在考虑了轮载横向分布概率的基础上确定了两种构造细节的主导疲劳开裂模式,并对其疲劳寿命进行了评估。研究结果表明:纵肋与顶板传统单面焊构造细节和纵肋与顶板新型双面焊构造细节中各疲劳开裂模式的纵向影响线长度主要在构造细节相邻的两个横隔板之间;在轮载的纵向移动作用下,纵肋与顶板传统单面焊构造细节顶板焊根开裂模式和顶板焊趾开裂模式均以承受拉-压循环应力为主,轮载作用于传统单面焊构造细节的正上方(e=-150 mm)为其最不利横向加载位置;纵肋与顶板传统单面焊构造细节的主导疲劳开裂模式为顶板焊根开裂,在标准疲劳车作用下其最大等效结构应力幅值为70.4 MPa;在轮载的纵向移动作用下,纵肋与顶板新型双面焊构造细节的顶板内侧焊趾开裂模式和顶板外侧焊趾开裂模式均以承受拉-压循环应力为主,其最不利横向加载位置和纵肋与顶板传统单面焊构造细节相同,为轮载作用于构造细节的正上方(e=-150 mm);纵肋与顶板新型双面焊构造细节的主导疲劳开裂模式为顶板外侧焊趾开裂,其最大等效结构应力幅值为63.2 MPa;新型双面焊的引入使纵肋与顶板构造细节的主导疲劳开裂模式由传统单面焊构造细节的顶板焊根开裂迁移到新型双面焊构造细节的顶板外侧焊趾开裂,相较于传统单面焊构造细节,新型双面焊构造细节的疲劳寿命提升约42.4%。新型双面焊的引入可有效提升纵肋与顶板细节的疲劳性能。

车辆轮迹线位置对钢桥面板疲劳部位应力的影响分析

正交异性钢桥面板是大跨度桥梁结构主要桥面板形式。为深入研究车辆轮迹线位置对钢桥面板疲劳部位应力的影响,以纵肋与顶板双面焊焊接接头为研究对象,基于ANSYS有限元软件,选取三种典型疲劳车辆轮迹线加载形式,得到了该部位热点应力历程。车辆骑纵肋加载和纵肋间加载均具有较大的疲劳应力,设计时应将轮迹线尽量布置在纵肋正上方位置。