正交异性钢结构桥梁U肋与面板组焊一体施工技术的研究与应用

正交异性钢桥中顶板单元件(又称U肋板单元)疲劳耐久性问题随着U肋内焊技术的出现,得到了极大的改善。顶板单元件一般采用工厂制作,加入U肋内焊的顶板单元件生产工艺为:原材料(面板、U肋)打磨、定位组装、内焊、外焊、校正工序。其中板单元组装工序多采用人工在外侧进行断续定位焊接的方式完成,因此难以避免人工焊接产生的一系列焊接质量隐患,影响后续内、外焊工序的施工,造成质量隐患。目前虽有一些厂家配备有机械组装设备,但是施工效率较低,组装精度也不易满足设计要求。针对这一现象,锂鑫自动化在行业内率先推出U肋组焊一体化施工技术,一步完成现有的定位组装、内焊两道工序,消除了定位焊带来的质量隐患,提升板单元制造效率。同时融入信息化制造技术,实现远程控制、施工参数自动匹配、工艺数据上传等板单元智能制造技术升级和突破。

U肋全熔透焊接正交异性板构造疲劳性能试验研究

为研究U肋与钢桥面不同焊接工艺接头的疲劳性能,以主跨408 m的中承式连续钢桁拱桥——武汉汉江湾桥主桥为背景,在传统单面埋弧焊基础上,提出一种先平位内焊再船位外焊的双面埋弧全熔透焊接技术,制作不同焊接工艺U肋与钢面板试件,开展丁字接头弯曲疲劳试验、焊接接头拉伸疲劳试验及3种典型构造细节疲劳试验,分析U肋与钢面板构造细节疲劳性能。结果表明:不同焊接方式下U肋与钢面板的疲劳强度差异明显,埋弧焊丁字接头的疲劳强度较高,大于342 MPa。U肋与钢面板双面埋弧熔透焊试件轴向拉伸状态下最低疲劳强度121.6 MPa,在-50~50 MPa拉-压循环应力幅和100 MPa拉应力幅下试件均未开裂;在120 MPa拉应力幅下,疲劳开裂加载次数均大于200万次,顶板内侧焊缝焊趾发生疲劳开裂。U肋与钢面板双面埋弧全熔透焊接构造细节疲劳性能优于单面焊及不开坡口的双面焊部分熔透构造细节,可以提高结构的耐久性和使用寿命。

双丝工艺在桥梁U肋焊接中的应用研究

桥梁U肋通常采用多台焊机同时作业的方式进行生产,可选用熔化极气保焊机或埋弧焊机,焊接速度一般约为0.4 m/min。采用Tandem双丝焊接工艺进行试验,在保证焊接质量的前提下,焊接速度可提升至1.2 m/min,极大提高了生产效率。试验发现当多套双丝焊接设备同时焊接至U肋末端时,极易出现电弧磁偏吹的现象,影响了U肋末端的焊接熔深、焊缝成形,造成焊接不良。针对该问题开发了一种抑制电弧磁偏吹的控制方法,该方法主要是在脉冲电流的基值阶段增加第二脉冲电流从而提高电弧的抗干扰能力。第二脉冲的峰值电流、峰值时间和个数影响了抑制电弧偏吹的效果,根据第一脉冲基值维持时间计算出第二脉冲的个数并存储在焊机中,第二脉冲峰值电流和峰值时间根据基值反馈电压的变化量进行实时调整。同时研究了双丝焊接工艺中主机和从机何时触发输出第二脉冲,试验发现主机按照焊机中存储的参数触发输出第二脉冲,从机触发第二脉冲的时刻受主机控制,当主机处于脉冲峰值下降阶段时触发从机输出第二脉冲,焊接效果最好。

美国纽约韦拉扎诺大桥U肋焊缝机器人焊接研究

正交异性钢桥面板因其自重轻、承载能力大,广泛应用于大跨度现代钢桥,其U形肋焊接技术是桥面板制作的关键。以美国纽约韦拉扎诺大桥U肋焊接试验为例,介绍了U肋与桥面板坡口角焊缝的自动焊接工艺。区别于传统需4次焊接的方式,通过调整U肋焊缝的坡口角度(将坡口角度调整为54°,使焊缝形状更接近三角形,增加焊缝成型系数)、钝边尺寸(2.5~3.0 mm)、焊接规范参数以及采用具有电弧跟踪系统的焊接机器人进行施焊,实现了U肋两侧坡口角焊缝机器人单道对称水平位置施焊一次成形。该工艺克服了熔深不足、烧穿、裂纹、咬边等技术难题,焊接效率是传统焊接的4倍,熔深可达U肋板厚的80%,无焊漏,焊缝外观质量良好,在业主随机抽样检验中全部合格,填补了国内外U肋焊接领域的技术空白。

钢桥面板U肋-盖板构造细节(子系统1)疲劳受力行为研究

正交异性钢桥面板受力行为复杂,基于子系统可以更加有效地分析钢桥面板的疲劳受力行为,以钢桥面板子系统1为研究对象,分析轮载作用面积和轮载作用位置对子系统1疲劳受力行为的影响,在此基础上分析了盖板厚度和U肋厚度对U肋-盖板构造细节处3个弯矩的影响。同时基于等效结构应力法,对子系统1的主导疲劳开裂模式进行研究。研究结果表明:轮载作用面积为600 mm×200 mm且轮载作用在U肋间时,子系统1中U肋-盖板构造细节的受力最不利;子系统1以U肋外侧弯矩Mr大于U肋内侧弯矩Ml的情况为主;子系统1焊根开裂模式的主导疲劳开裂模式均为开裂模式Ⅱ,增大盖板厚度能有效降低焊缝焊根开裂的风险;焊趾开裂模式的主导疲劳开裂模式与盖板和U肋厚度有关,增大盖板厚度能减小开裂模式Ⅰ发生的概率,增大U肋厚度能减小开裂模式Ⅲ发生的概率;在焊根和焊趾的主S-N曲线相同的情况下,子系统1的主导开裂模式为焊趾开裂模式。

顶板厚度对组合桥面板U肋与顶板构造疲劳性能的影响

为研究钢顶板厚度对于正交异性组合桥面板U肋与顶板构造疲劳性能的影响,通过建立板壳-实体有限元模型,计算分析不同顶板厚度下正交异性钢桥面板中关键部位的受力情况。计算结果表明,有无刚性铺装对车轮荷载作用下的桥面板受力状态以及U肋与钢桥面板焊缝焊趾处应力大小有显著的不同,采用刚性铺装的正交异性组合桥面板U肋与钢桥面板焊缝焊趾处应力幅值只有不采用刚性铺装桥面板的8%;改变钢顶板的厚度对正交异性组合桥面板U肋与钢桥面板焊缝焊趾处的疲劳强度影响甚微,采用12 mm的钢顶板也能满足U肋与钢桥面板焊缝焊趾处的疲劳强度要求。

钢箱梁U肋加劲板初始几何缺陷分布规律试验研究

考虑到钢结构板件种类众多,缺陷幅值及分布有较大的随机性,且无方便、快捷及有效的测量方法测试板件真实初始几何缺陷,所以目前尚无客观真实考虑各种几何缺陷的方法,从对加劲板件整体初始几何缺陷研究方面出发,以宜宾临港公铁两用桥为背景,首次采用基于XTDP三维光学摄影测量系统对U肋加劲板进行初始外观真实形态试验测试,从而得到加劲板整体初始几何缺陷分布规律;分别研究加劲板纵、横向几何缺陷分布规律及幅值大小,掌握试件初始几何缺陷分布形式,将其与国内外规范推荐理论值进行对比分析,并通过数值模拟研究不同初始几何缺陷加劲板受压稳定承载力及破坏形态;分析结果表明,U肋加劲板的真实初始几何缺陷形态并不仅仅是单一的正弦半波形态一种,需要考虑多种形态下初始几何缺陷,且初始几何缺陷幅值较规范推荐值偏大,纵向初始几何缺陷幅值约为钢结构设计规范推荐值的1.0~2.3倍,横向初始几何缺陷幅值约为欧洲规范BS EN1993-1-5推荐值的1.0~4.8倍。

在役桥梁双面全熔透U肋角焊缝检测技术研究

常规超声检测方法难以检测在役桥梁双面全熔透U肋角焊缝,为提高此类焊缝的检测效率和检测精度,引入超声相控阵检测技术,利用自动扫查装置夹持2个超声相控阵换能器并置于焊缝两侧,采取扇扫描方式进行沿线扫查。首先,根据实际桥梁所用材料和焊接工艺,设计并加工模拟试样;然后,基于模拟试样制定超声相控阵检测方案和对比试验方案,验证超声相控阵检测方案的可行性;最后,对在役桥梁双面全熔透U肋角焊缝进行检测和分析。结果表明:超声相控阵检测技术可以有效地检出常规超声检测方式难以检测的U肋内侧焊缝焊偏及未焊满缺陷,对根部未熔合和夹杂等典型缺陷也有很好的检出能力,可有效提高在役桥梁双面全熔透U肋角焊缝缺陷的检测效率和检测精度,缺陷尺寸测量误差小于3%。

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。

三江县宜阳大桥主桥钢箱梁U肋内焊施工技术分析

文中以柳州三江县宜阳大桥为研究对象,分析了桥梁正交异性板结构U肋内部空间存在的焊接缺陷问题,利用龙门焊接平台驱动连杆,让驱动内焊机器人能自由进入U肋内部,对两侧内焊角进行焊接工作,将原本的单面角焊缝优化成双面角焊缝形式,从而增加焊接面积,解决应力过于集中问题,加强力学性能和抗疲劳能力,将焊接变形工作控制在合理范围内,保证桥梁质量能够达到预期标准。

正交异性钢桥面中热轧变厚U肋技术特点及制造工艺研究

采用U肋纵向加劲的正交异性钢桥面系,在公路钢桥中得到了广泛应用,然而其多发疲劳裂缝问题,迫使工程界提出了诸多改进方法,采用热轧变厚度U肋替代常用的冷弯等厚度U肋便是其中的一项创新措施。论述了热轧变厚度U肋的技术特点,包括几何参数、热轧U肋力学性能、可焊性、疲劳性能及经济性等。在制造工艺方面,针对这种U肋厚度薄、精度要求高的特点,在普通热轧型材的成熟轧制工艺基础上,运用专业软件DEFORM仿真模拟超薄U肋成形、热处理至机加工全过程,再使用微型轧机试轧缩尺U肋,经试轧调整完成轧辊孔型设计。目前热轧变截面U肋已在十余座大型桥梁工程项目中得到应用,显示了一定的经济技术优势。

超声相控阵检测技术在双面全熔透U肋角焊缝中的应用

为研究超声相控阵检测技术在正交异性桥面板双面全熔透U肋角焊缝焊接质量检测应用的技术要点,进行了试样制备,并提出了具体的检测方案及对比检测方案,对检测过程及结果展开比较分析。结果表明,超声相控阵技术能快速检出常规超声检测方式无法测出的U肋内侧焊缝焊偏、未满焊、夹杂质、根部未熔合等缺陷,针对桥面板双面全熔透U肋角焊缝缺陷的检测结果精度提高。

U肋板单元焊接工艺模拟试验及应用

针对大型钢桥U肋板单元的焊接工艺试验时间长、试验耗材多等问题,文中使用I肋模拟U肋进行U肋板单元的焊接工艺试验,试验过程中能快速发现存在的工艺问题,方便及时调整工艺措施或优化焊接参数。I肋试板安装过程简单,且可二次安装试焊,有效缩短U肋板单元的焊接工艺试验时间和减少试验材料的耗用。试验焊接工艺在全尺寸U肋试板上成功完成了标准规定的工艺评定试验,焊接工艺在产品上进行了实践应用,焊接效果良好,验证了该U肋板单元焊接工艺模拟焊接试验方法的可行性。

基于ANSYS的钢箱梁底板U肋在不同焊接顺序的焊接变形研究

采用有限元软件ANSYS建立了钢箱梁底板和3个U肋的组合焊接分析模型,结合生死单元技术研究不同焊接顺序对底板焊接变形的影响。考虑3个U肋的6个外焊道,设置3种不同焊接顺序的焊接方案,其他条件相同,研究焊接顺序对底板U肋的焊接变形的影响。研究发现:不同的焊接顺序,底板U肋的焊接纵向弯曲变形都呈中间大、边端小的规律,方案1和方案2的焊接变形大小相近,大于焊接方案3的焊接变形大小,和大桥钢板纵向弯曲变形经验公式计算值相符;而横向弯曲变形规律不同,焊接方案2和3的横向弯曲变形大小接近,大于焊接方案1的弯曲变形大小。

长服役期钢箱梁U肋维修加固关键技术

U型肋作为正交异性桥面板中提供抗扭刚度与抗弯刚度的主要构件,在汽车循环往复荷载作用下,容易产生疲劳损伤,进而影响整个桥梁的服役寿命。因此有必要提出行之有效的措施对其进行加固改造。依托胜利黄河大桥,基于现场实际病害提出了长服役期钢箱梁U肋盖板、U肋对接横缝、U肋与箱梁连接部位焊缝的维修加固关键技术措施,研究成果可为同类型钢箱梁U型肋的维修加固提供技术支撑。

厚边U肋正交异性钢桥面的疲劳性能

新型厚边U肋正交异性钢桥面的应用有望提高顶板与U肋连接焊缝的抗疲劳寿命.为研究其实际疲劳性能和具体提升机理,对该类钢桥面中顶板与U肋连接焊缝开展了疲劳试验和数值分析.通过足尺模型疲劳试验,采用名义应力法和热点应力法对常规等厚U肋钢桥面和新型厚边U肋钢桥面进行了对比;在疲劳试验的基础上,建立了精细化有限元模型并通过试验数据验证了其有效性;通过该模型对厚边U肋钢桥面顶板与U肋焊缝的疲劳性能提升机理进行了分析.结果表明:厚边U肋的使用有效地提高了顶板与U肋连接焊缝的疲劳强度;在焊接负公差存在的情况下,厚边U肋试件对未熔透厚度的变化相对不敏感,从而保障了顶板与U肋连接焊缝疲劳性能的稳定性.厚边U肋正交异性钢桥面在北京三元桥新桥和成都凤凰山高架桥等工程项目中的应用验证了其抗疲劳的有效性.

U肋板单元焊接质量控制——破坏性检测

介绍了常泰长江大桥U肋板单元焊接质量控制措施,通过采用合理的焊接工艺,并在国内钢桥制造项目上首次应用班前试板、板单元破坏性检测等措施,保证了大桥板单元U肋角焊缝的焊接质量。

大尺寸纵肋顶板-U肋构造细节的受力分析

为研究正交异性钢桥面板横隔板无外切口大尺寸U肋-顶板焊接构造细节的疲劳性能,建立有限元模型,计算得到该构造细节在轮载作用下的应力随轮载位置变化的规律和相应应力幅,并与传统尺寸正交异性钢桥面板的受力情况进行对比。研究表明:大尺寸U肋正交异性钢桥面板的应力影响线较长,受力性能与传统正交异性钢桥面板有差别;当轮载作用在U肋上方面板的面积越多时,构造细节的应力越大;构造细节面板处的面外弯曲应力较大,而U肋腹板处的面外应力很小。

U肋埋弧外焊机器人焊接系统及其应用

介绍了一种新型的U肋外侧角焊缝焊接设备——U肋埋弧外焊机器人焊接系统。对多种U肋规格的U肋外侧角焊缝进行了焊接测试并对焊接结果进行了对比。对比分析U肋埋弧外焊机器人焊接系统与气体保护焊U肋焊接机器人以及U肋埋弧外焊专机之间的区别,得出其相对的优势和缺点,并提出了对设备改善和优化的建议,展望了其应用前景。

正交异性钢桥面板U肋对接焊缝疲劳寿命评估

基于江阴长江大桥U肋对接焊缝实时动态应变监测,结合雨流计数法以及BS5400规范,对江阴长江大桥正交异性钢桥面板U肋对接焊缝疲劳寿命进行了研究。通过标准车辆荷载模型以及车流仿真模拟,获得移动车辆荷载作用下焊缝处的应力变化,进行了损伤度计算,并将数值计算与实测分析结果作了详细对比。实测结果表明:慢车道与快车道应力幅分别为70与110 MPa,均超过了该部位的疲劳极限值,随着疲劳损伤累计可能发生破坏。计算结果显示车辆经过桥面时焊缝处产生了较大的应力幅,但以损伤累计以低循环累计为主。慢车道U肋对接焊缝处疲劳寿命低于大桥设计寿命,应当及时给予关注。