焊接残余应力对钢桥面疲劳性能的影响与处理措施

为改善正交异性钢桥面的抗疲劳性能,对钢桥面进行退火处理以降低关键焊缝的焊接残余应力。首先系统性地回顾和探讨钢桥面焊接残余应力分布模式,同时就残余应力对疲劳裂纹发展的影响进行了文献分析。随后,归纳和总结了国内外主流焊接残余应力消除方法,并开展对比分析。借鉴压力容器制造方法,建议在正交异性钢桥面制造中引入退火处理工艺以降低焊接残余应力。研究聚焦钢桥面中疲劳问题较突出的顶板与U肋连接焊缝,设计了16个(其中9个退火处理,7未作处理)局部足尺单U肋试件进行残余应力测试与疲劳试验。试验结果表明,退火处理后焊缝残余应力实测值降低约80%,疲劳强度提高约23%。可以看出,退火处理可以大幅降低焊接残余应力,从而有效提升钢桥面抗疲劳性能。

钢桥面板顶板-U肋焊缝裂纹萌生特征及扩展规律

【目的】研究轮载作用下钢桥面板顶板-U肋焊缝裂纹的萌生特征及扩展规律。【方法】通过有限元方法建立钢桥面板节段模型,分析了不同轮载位置下构造的变形特征,明确了轮载位置与典型变形特征的对应关系,相应建立了3种局部简化模型。在局部模型的基础上根据应力分布确定了裂纹萌生特征,并基于断裂力学进行裂纹扩展三维数值模拟。【结果】模拟结果表明,在以顶板为主的变形条件下,顶板焊趾和顶板焊根的最大主应力明显大于U肋焊趾处,裂纹产生后Ⅰ型应力强度因子远高于Ⅱ型和Ⅲ型;在以U肋为主的变形条件下,顶板焊根和U肋焊趾处的最大主应力垂直于U肋厚度方向,裂纹产生后Ⅱ型和Ⅲ型应力强度因子占Ⅰ型应力强度因子K的20%~30%。【结论】实桥中轮载偏离焊缝正上方时,疲劳裂纹易从顶板焊根和顶板焊趾处萌生且沿顶板厚度方向扩展,以Ⅰ型裂纹为主;当轮载位于焊缝正上方时,疲劳裂纹易从顶板焊根和U裂焊趾处萌生并大致垂直U肋腹板扩展,属于Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹,且扩展速率较快。

中山香山大桥主桥主梁结构设计

中山香山大桥主桥为双层钢桁梁公路斜拉桥,跨径布置为(136+312+880+312+136)m。桥塔采用人字形混凝土塔,下设整体式钻孔灌注桩;斜拉索采用∅7 mm高强度锌-铝合金镀层平行钢丝索;约束体系采用带纵向阻尼器的半飘浮体系。主梁采用2片N形主桁的钢桁梁结构,桁宽42.2 m,标准梁段桁高2.8 m。上、下弦杆和腹杆均采用带加劲肋的箱形截面,横梁均采用鱼腹式。边跨187.2 m范围内下层桥面采用混凝土桥面板起压重作用,其余上、下层桥面板均采用正交异性钢桥面板。下层纵向钢-混结合段位于辅助墩往跨中第4个节段,距辅助墩51.2 m,设置承压板、支撑加劲肋、预应力钢束、剪力钉和PBL板;横向钢-混结合段位于下层行车道两侧钢桥面板和混凝土桥面板之间(距下弦杆2.2 m处),设置剪力钉、PBL板和1.3 m宽UHPC后浇段。采用有限元软件进行全桥整体受力分析及桥面板局部分析,结果表明:结构满足规范要求。主梁采用大节段整体吊装施工,标准吊装节段长度为25.6 m,节段间除钢桥面板和弦杆顶板采用焊接外,其余均采用高强度螺栓连接。

基于应变场强法的钢桥面板顶板-纵肋焊接节点疲劳寿命预测

钢桥面板顶板-纵肋焊接节点处疲劳现象频发,应力集中和残余应力是影响其疲劳寿命的关键因素。然而,常用评估方法大多以距焊趾/根一定距离的某一点的应力状态作为参量,忽略了焊接节点附近区域应力分布对疲劳寿命的影响。场强法可通过权函数考虑焊接节点附近区域的应力分布,因此本工作采用场强法进行顶板-纵肋焊接节点的疲劳寿命预测。基于已有疲劳试验,采用ANSYS软件建立顶板-纵肋焊接节点的有限元模型;再利用热-结构顺序耦合法计算残余应力,并施加疲劳荷载,得到应力幅最大位置的应变场强;最后,对适用于低周疲劳寿命评估的Manson-Coffin公式进行修正,实现该节点的高周疲劳寿命预测。研究结果表明:考虑残余应力计算的疲劳寿命较不考虑时误差会减小21.2%;与名义应力法、能量法相比,采用应变场强法预测的疲劳寿命精度会分别提高31.5%、38.2%。

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。

基于断裂力学的钢桥面板纵肋顶板焊缝疲劳效应分析

为了系统研究钢桥面板纵肋顶板焊缝的疲劳效应,基于断裂力学相关理论,依托有限元软件,建立了钢桥面板疲劳裂纹扩展数值模拟方法,并通过实际案例验证了方法的可行性。在此基础上,构建了包含初始裂纹体的钢桥面板RD细节单面焊、RD细节双面焊、RDF细节单面焊和RDF细节双面焊数值有限元分析模型。计算得到了不同细节I型、Ⅱ型和Ⅲ型应力强度因子的纵向历程,获得了等效应力强度因子幅值。经对比分析,确定了钢桥面板纵肋顶板焊缝不利细节,并选取RDF细节双面焊进一步探究了疲劳效应关键影响因素。结果表明:RD细节单面焊、RD细节双面焊、RDF细节单面焊和RDF细节双面焊疲劳裂纹均为I型为主导的Ⅰ-Ⅱ型复合疲劳裂纹;RDF细节单面焊和双面焊等效应力强度因子幅值分别为RD细节的1.5倍和1.2倍;与单面焊相比,RD细节和RDF细节双面焊等效应力强度因子幅值分别降低了12.0%和41.8%,双面焊疲劳性能具有明显优势;就RDF细节双面焊而言,顶板厚度由14 mm增加至18 mm时,疲劳寿命增加915.0万次,初始裂纹深度由0.2 mm增加至1.5 mm时,疲劳寿命降低300.2万次;横隔板厚度、横隔板间距和初始裂纹长度对该细节疲劳寿命影响较小,当裂纹扩展至一定深度后,裂纹形态不再受初始裂纹尺寸的影响,裂纹扁平率将趋于一致。

上承式拱桥桥跨布置对无缝线路的影响研究

研究目的:基于有限元理论和梁轨相互作用机理,以某座铁路上承式混凝土拱桥为例,建立上承式拱桥梁轨相互作用计算模型,考虑拱圈范围不同桥跨布置方式,系统分析桥上无缝线路受力规律。结合轨道高低线形10 m弦检算结果,提出铁路上承式混凝土拱桥桥上无缝线路设计建议。研究结论:(1)上承式拱桥拱上桥跨布置尽量采用连续梁,拱桥跨度较小时,可在拱圈范围设置梁缝,达到取消钢轨伸缩调节器设置的目的;(2)受拱圈温度变形影响,位于拱圈范围的梁缝高低弦测值变化较为剧烈,轨道几何形位保持较其他区段困难,养护维修应重点关注;(3)钢轨伸缩调节器应避免设置在拱圈范围,原则上拱顶不设置钢轨伸缩调节器;(4)本研究成果可应用于铁路上承式混凝土拱桥拱上无缝线路设计,特别是指导拱桥上钢轨伸缩调节器的设置。

超载对钢桥面板顶板-纵肋焊接接头疲劳寿命影响分析

顶板-纵肋焊接接头是正交异性钢桥面板疲劳受力的薄弱部位,重型货车轮载效应会进一步加剧该部位的疲劳应力。为研究超载对钢桥面板顶板-纵肋焊接接头疲劳寿命的影响,基于断裂力学相关理论,构建了疲劳裂纹扩展子模型,对2倍、4倍和6倍超载作用下疲劳裂纹的扩展情况进行系统研究,得出了各种超载作用下钢桥面板顶板-纵肋焊接接头的疲劳寿命。研究表明:在标准疲劳车及2倍超载作用下,钢桥面板顶板-纵肋焊接接头均不会发生疲劳开裂;在4倍超载作用下,钢桥面板顶板-纵肋焊接接头疲劳寿命为354.8万次,疲劳寿命减少约29%;在6倍超载作用下,钢桥面板顶板-纵肋焊接接头疲劳寿命为104.7万次,远低于国内规范中所要求的200万次,疲劳寿命减少约79%,因此在合理控制超载的同时丞需研发高疲劳抗力的新型顶板-纵肋焊接接头。

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。

钢桥面板顶板与U肋接头疲劳效应分析

针对钢桥面板顶板与U肋焊接接头,开展疲劳应力有限元分析,研究该构造细部的疲劳效应,为钢桥面板抗疲劳设计与维护提供参考。建立了钢桥面板板壳单元模型,以焊趾处热点应力为指标,分析过焊孔对接头受力影响以及轮载作用下顶板应力历程及应力幅值。结果表明,板壳单元有限元模型局部细化网格尺寸不超过1.0倍顶板厚度,可得出稳定的热点应力计算值。过焊孔的设置削弱了横隔板对顶板的支撑作用,使过焊孔区域顶板应力有所增大。不设置过焊孔时,接头处由于存在较大几何与刚度突变,应力集中更加明显。热点应力对轮载的横向位置比较敏感。轮载在纵桥向与横桥向的应力影响范围都比较小,可忽略车轴、轮重及车辆间的应力叠加效应。

正交异性钢桥面板疲劳验算

国内外已得到广泛应用的正交异性钢桥面板在车辆荷载的作用下容易疲劳开裂，可是目前各国公路桥规还没有其疲劳验算的细则。本文对钢桥疲劳验算所涉及的诸如荷载、结构分析、低应力幅处理、焊接节点的疲劳强度、验算方法等问题进行了探讨，并通过一个实例来加以说明。

钢桥面板顶板与U肋接头焊接残余应力分析

对钢桥面板顶板与U肋接头焊接残余应力进行分析。采用热-结构直接耦合方法,分析了构件焊接温度场及应力场,得到构件中心截面母板纵向、母板横向、U肋纵向及焊缝中心竖向的残余应力分布曲线。结果表明:母板及U肋近焊缝区存在较大的残余拉应力,残余拉应力峰值接近材料屈服强度;自焊缝中心往外,残余拉应力值下降并转变为压应力;热影响区之外,母板及U肋纵向残余应力主要表现为压应力,并向两端缓慢下降;母板横向残余应力主要表现为拉应力,近焊缝区存在应力突变;沿焊缝竖向纵、横向应力变化趋势基本相同。

正交异性板纵肋-盖板连接的疲劳应力对比分析

为研究新型热轧纵肋正交异性钢桥面板的纵肋-盖板焊接接头的疲劳性能,以已有大跨度公路桥梁为背景,分别建立传统典型纵肋桥面板和新型热轧纵肋桥面板模型,利用ABAQUS有限元程序对多种轮位加载工况下2种桥面板的焊接接头关注点的疲劳应力幅进行对比分析,并分析了内横隔板对降低肋壁关注点应力幅所起的作用。研究表明,与典型纵肋桥面板相比,新型纵肋正交异性钢桥面板盖板上的应力关注点应力幅更小,而肋壁上的关注点应力幅稍大;在新型纵肋桥面板的肋壁内增设顶部小横隔板可降低其在荷载作用下产生的应力幅值;新型纵肋正交异性钢桥面板在自重和加工成本方面工程应用前景良好。

钢桥面板纵肋现场对焊接头的疲劳性能

对8个具有正交异性钢桥面板角钢纵肋现场对焊接头的试件进行了静力和疲劳试验研究，纵肋接头采用手工仰焊，考虑了纵肋对中偏差．试验结果表明纵肋对中偏差对接头的静力和疲劳性能有重要影响，经回归分析得到了疲劳强度曲线，为钢桥面板这类接头的疲劳设计提供了依据．

钢桥面板与纵肋焊缝疲劳评估及裂纹扩展研究

为研究正交异性钢桥面板纵肋与顶板连接焊缝的裂纹扩展特性并建立相应的疲劳寿命评估方法,考虑裂纹扩展模拟方法以及材料特性等因素对于裂纹扩展过程与疲劳寿命预测的影响,以某长江公路大桥重载交通钢桥面板为研究对象,进行了疲劳模型试验和理论研究.综合运用疲劳试验与断裂力学数值模拟研究起始于焊根位置裂纹的疲劳寿命评估问题,探明了疲劳裂纹的扩展特性.研究结果表明:基于常幅疲劳加载的寿命预测结果与试验实测值间的相对误差小于10%,且预测结果偏于安全;裂纹扩展路径及裂纹面空间形态等扩展特性与疲劳试验相吻合;裂纹扩展模拟方法、扩展角计算准则、材料特性和初始裂纹深度是疲劳寿命预测的关键影响因素;起始于焊根的疲劳裂纹属于Ⅰ型主导的复合型裂纹,疲劳寿命评估应考虑Ⅱ型与Ⅲ型裂纹的影响;裂纹面呈现出典型的空间曲面特征,其深度与长度之比介于0.20～0.63之间,最大扩展角为12.7°;疲劳寿命评估结果对于初始裂纹深度取值较为敏感,应结合工程实际确定合理取值.

正交异性钢桥面板结构热点应力有限元分析

以正交异性钢桥面板焊接节点为研究对象,对焊接节点焊趾处不同的结构热点应力确定方法进行比较分析.利用有限元软件ANSYS分别建立焊接节点的实体单元和壳单元有限元模型,在焊趾附近区域共划分7种网格尺寸,分别采用直接提取法、表面外推法和结构应力法计算正交异性钢桥面板焊接节点焊趾处的结构热点应力,比较分析不同方法计算结果的精度及对网格尺寸和单元类型的敏感性.研究结果表明,对于不同网格尺寸和单元类型的有限元模型,直接提取法和表面外推法获得的结构热点应力离散性较大,结构应力法计算的结构热点应力具有较好的一致性.

U肋与横隔板焊接构造细节疲劳强度研究

为研究在车辆荷载反复作用下,正交异性钢桥面板U肋与横隔板焊缝构造细节处的疲劳强度是否满足疲劳设计要求,以九江长江公路大桥钢箱梁结构为研究对象,设计疲劳试样进行疲劳试验,得到了用于该构造细节处疲劳寿命评估的失效概率分别为50%及2.3%的应力幅~循环次数曲线,参照Eurocode 3规范,将疲劳曲线延长至长寿命区,提出适合该细节处的疲劳设计曲线及方程。依据实测车辆荷载谱及简化的有限元模型,选择合理的加载方式与荷载冲击系数,计算得到关注点的应力~时间历程曲线,并评估该构造细节的疲劳寿命。结果表明,在实测荷载谱作用下,该细节处最大应力幅值为24.49MPa,小于疲劳截止限,其疲劳强度满足疲劳设计要求。

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。

钢桥面板U肋-顶板连接焊缝疲劳细节分析方法

目的对正交异性钢桥面板U肋-顶板连接焊缝的疲劳性能的分析方法进行系统研究,探讨有限元模型中关注细节附近网格划分大小以及疲劳荷载的加载方式对关注细节应力提取结果的影响,确定U肋-顶板连接焊缝细节的应力幅分析过程.方法应用有限元软件ABAQUS建立了局部的钢箱梁节段模型,利用壳单元对U肋-顶板连接焊缝细节进行疲劳分析,与实体单元的分析结果差别不大.结果横向加载分析时,将疲劳荷载布置于U肋正上方、U肋间和U肋腹板上方的加载方式既简化了加载步骤,又能得到细节的实际最不利荷载位置;纵向加载分析时,加载区网格大小不大于50 mm,荷载步大小不大于100 mm时可以得到比较精确的结果;车轮位置与纵肋-顶板连接焊缝横桥向距离大于1 500 mm,或纵桥向距离大于1 500 mm时,对焊缝的影响可以忽略.结论对于U肋-顶板连接焊缝细节应力幅分析过程为:确定各个细节应力最大值纵向加载点位置;在该纵向位置进行横向加载确定细节的最不利横向位置及对应的最不利加载位置;在最不利横向加载位置进行纵向加载得到最不利细节的纵向应力历程曲线,通过应力历程曲线计算该细节的应力幅.