Fe-SMA主动加固钢桥面横隔板弧形切口疲劳裂纹实桥应用研究

为确定铁基形状记忆合金(Fe-SMA)主动加固正交异性钢桥面板横隔板弧形切口疲劳裂纹的可行性,以某在役钢箱梁斜拉桥为背景进行实桥加固研究。根据现场横隔板弧形切口的开裂特征,在对裂纹钻孔止裂的基础上,提出利用Fe-SMA材料对横隔板弧形切口裂纹进行粘贴加固的方案,并进行加固施工。通过现场测试得到Fe-SMA板条热激活过程的应变和温度变化,分析Fe-SMA板条和钢板之间的相互作用及加固机理。结果表明:粘贴Fe-SMA板利用Fe-SMA热驱动形状记忆效应可有效便捷地为结构施加预压应力,实现对受损部位的主动加固;经过Fe-SMA联合止裂孔修复后,热驱动作用下的Fe-SMA可以产生200~240 MPa的预拉应力,并在钢板止裂孔边缘施加43~90 MPa的压应力,可有效阻止裂纹进一步扩展;加固体系在加热激活过程完好可靠,当控制一侧加热区域中部温度为200℃时,热传导作用下非加热区域中部的温度为60℃以下,而背面总体温度基本在90℃以下。

基于扩展有限元法的钢桥面横隔板弧形切口疲劳裂纹扩展特性研究

为了解正变异性钢桥面板横隔板弧形切口疲劳开裂的规律,以某跨径350 m的独塔单跨钢箱梁自锚式悬索桥为背景,基于扩展有限元法建立纵肋-横隔板弧形切口多尺度裂纹扩展数值模型,求解弧形切口在轮载作用下的应力强度因子,分析轮载-热残余应力耦合作用下的疲劳裂纹扩展形态和特性。结果表明:当顺桥向车轮作用于弧形切口正上方时,应力强度因子急剧增大,基于该响应曲线可以识别疲劳荷载模型的轴组,但无法识别轴组内的单轴。弧形切口切向热残余拉应力峰值达到341.1 MPa,使得轮载作用下的压应力幅转换为拉应力幅,裂纹扩展方向与实桥疲劳裂纹的扩展形态基本吻合。由于弧形切口处于复杂的三维变形状态,以面内变形为主,因而弧形切口为Ⅰ型断裂主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹扩展模式,裂纹扩展速率与应力强度因子幅均随着裂纹扩展呈现出先增大后减小的趋势。

钢桥面横隔板弧形切口维修加固与寿命评估

正交异性钢桥面板弧形切口在使用中经常发生开裂,不合理的弧形切口设计导致的应力集中是产生疲劳开裂的主要原因。热切割改进弧形切口能有效地降低横隔板所受车载应力,但过程中会产生高水平的残余应力影响疲劳寿命。为此,提出了热维护+冷维护的疲劳维护方案,以热切割优化改进切口,并在纵肋与横隔板连接处粘贴钢板加固。采用ABAQUS软件建立钢箱梁节段模型计算维护前后车载应力,开展热切割残余应力测试试验,并通过数值模拟分析热切割弧形切口切向残余应力分布规律,基于钢材的本构模型对车载应力与热切割残余应力进行耦合,结合实测交通数据、采用线疲劳累计损伤理论计算了考虑热切割残余应力影响的弧形切口疲劳寿命,并对比分析了不同维护方案的效果。结果表明:采用热切割改进弧形切口后可明显改善应力集中问题,车辆荷载作用下的压应力峰值降低50%;但改进弧形切口会产生高水平的残余应力,显著影响其疲劳性能,疲劳寿命仅为67.75年,低于桥梁设计使用寿命;在改进切口上粘贴钢板进行冷维护,可进一步减小弧形切口的车载应力峰值,双面粘贴10mm钢板应力峰值降低79%,并显著增加其疲劳寿命;当采用相同厚度的补强钢板时,单面粘贴的疲劳维护效果优于双面粘贴。本文提出的热维护+冷维护方案可以降低热切割残余应力的影响,获得更优的疲劳维护效果,为钢桥面板弧形切口疲劳维护提供了新的技术选择。

基于裂纹扩展的钢桥面板弧形切口疲劳性能研究

为研究钢桥面板弧形切口疲劳性能,建立某三跨斜拉桥钢箱梁桥面板有限元节段模型,实现横隔板-纵肋连接焊缝的全过程模拟,分析不同弧形切口形式的残余应力分布。基于扩展有限元方法建立弧形切口细节实体子模型,对钢桥面板弧形切口疲劳性能进行研究。研究结果表明,弧形切口附近区域残余应力较大,峰值达200 MPa以上,在疲劳荷载与残余应力共同作用下弧形切口细节均处于受拉状态;弧形切口细节疲劳裂纹先沿初始裂纹方向向横隔板内部扩展,之后产生不同程度的偏转,欧洲规范推荐切口形式疲劳性能最优,Haibach形式疲劳性能相对较差。在进行钢桥面板设计时应充分考虑焊接残余应力的影响,选取疲劳性能较好的弧形切口形式。

钢箱梁横隔板弧形切口疲劳性能及构造优化研究

横隔板弧形切口处疲劳开裂是钢箱梁的主要疲劳病害之一,为提高该细节的疲劳性能,确定其合理构造形式,以某悬索桥(加劲梁采用钢箱梁)为背景,建立钢箱梁节段有限元模型进行疲劳应力分析,基于P-M线性积伤律和Eurocode 3提供的S^N曲线计算其疲劳寿命,比较6种国内外常用弧形切口的疲劳性能,并分析切口半径和横隔板厚度对疲劳应力的影响。结果表明:轮载作用下横隔板弧形切口处存在明显的拉、压应力集中区;疲劳裂纹萌生于压应力集中区,裂纹扩展方向与主压应力方向基本垂直;弧形切口的形式显著影响其疲劳性能,国内外典型孔型中,圆弧+直线方案(孔型4)为刚性横隔板弧形切口的最佳孔型;适当增加孔型4的切口半径和横隔板厚度有利于提高其疲劳寿命,增加切口半径较增加板厚效果更好。

正交异性钢桥面板中弧形缺口的受力分析

正交异性钢桥面板应用广泛、但疲劳问题也较多,特别是与U肋相交的横隔板弧形缺口位置较为严重,各国规范和工程实践做法迥异。为研究弧形缺口边缘的2个主要疲劳开裂热点,选取4种不同缺口形式,考虑横隔板间距与厚度、肋高、缺口间隙等4种尺寸参数,建立桥面板局部空间模型进行分析,结合热点应力法进行疲劳评估。结果表明:对于这些缺口构造形式,与疲劳性能密切相关的热点应力水平和几何应力集中系数均表现出对各尺寸参数的显著相关性;不同缺口构造形式适用于不同的荷载条件。综合分析结果,本文推荐了一种弧形缺口形式,各项计算指标均较好。

UHPC组合桥面铺装层对铁路钢桥面板影响分析

为了解铁路钢桥采用超高性能混凝土(UHPC)组合桥面铺装时钢桥面板的力学特性及UHPC层厚度对其结构性能的影响,以银西高铁银川机场黄河特大桥正交异性钢桥面系及铺装结构为背景进行研究。采用ANSYS软件建立包括钢轨、轨枕、道砟层、铺装层以及正交异性钢桥面板的主梁及铺装结构有限元模型,对比在高速铁路列车荷载作用下采用普通C40聚丙烯纤维网混凝土铺装层(原铺装设计)和UHPC组合桥面铺装层时的钢桥面板结构受力,并分析UHPC层厚度对易损细节受力的影响。结果表明:采用UHPC组合桥面铺装层可显著降低钢桥面板典型细节的应力极值;随着UHPC层厚度的增加,其上表面最大拉应力、钢桥面板各细节应力峰值均降低;UHPC层厚度变化对其上表面纵向拉应力的影响大于对横向拉应力的影响。

正交异性钢桥面板横隔板局部模型疲劳试验研究

正交异性钢桥面板U型加劲肋与横隔板连接处是该类结构较为重要的疲劳易损部位之一。以横隔板弧形切口最小截面处的疲劳细节为研究对象,针对性地提出一种简化的横隔板局部试验模型,通过数值模拟与桥面系足尺模型进行对比,验证了试验模型的合理性。采用该试验模型对3种常用横隔板孔型进行疲劳试验,分析了该试验模型的疲劳破坏模式以及细节处的疲劳性能,最后得到S-N曲线并与各国规范进行比较。结果表明,不同孔型条件下疲劳裂纹容易在弧形切口最小截面处发生。Eourcode3推荐的铁路孔型和传统椭圆孔在弧形切口最小截面处的疲劳性能十分接近,均优于Eourcode3推荐的公路孔型,并且三种孔型的疲劳细节均高于我国钢桥规范和Eourcode3的71类细节等级。综合建议采用Eourcode3推荐的铁路孔型,在考虑保证率为97.7%的前提下,该细节的循环200万次的疲劳强度可取135 MPa。

螺栓加强板对横隔板弧形切口的加固研究

为研究螺栓加强板对横隔板弧形切口的加固作用,通过现场监测随机车流下加固前和加固后的弧形切口的应力响应,获得了加固前和加固后的弧形切口应力谱。基于等效损伤原则获得加固前、后弧形切口构造细节的等效应力幅和加载次数,结合AASHTO规范开展了加固前、后弧形切口构造细节的疲劳评价。研究表明:横隔板弧形切口主要受面内应力影响,螺栓加强板增加了横隔板的厚度,明显降低了弧形切口的应力水平,横隔板厚度过薄是导致该桥弧形切口疲劳开裂的原因,螺栓加强板可以改善弧形切口的疲劳性能。

泰州大桥钢箱梁实测疲劳应力分析

针对泰州大桥钢箱梁开展实桥疲劳应力测试,从纵桥向、横桥向及局部细节3个方面对钢箱梁疲劳受力特征进行测试。基于钢箱梁的实测应变绘制各位置处的应变时程曲线,并利用雨流计数法得到疲劳应力谱。结果表明:若以高应力幅作为疲劳开裂评价标准,则重车道下轮载对应的U肋疲劳损伤较严重,中塔附近钢箱梁顶板与U肋焊缝、弧形缺口构造的应力幅较高,且循环次数较多,需重点关注;钢箱梁不同截面疲劳细节的应力幅峰值较为接近,但各应力幅对应的循环次数存在差异;中塔附近第一根吊杆处截面测点的应力幅峰值较大,为钢箱梁易发生疲劳损伤的主要截面。在当前交通荷载作用下,泰州大桥钢箱梁各部分的疲劳寿命满足设计要求。

横隔板弧形切口疲劳性能及构造研究

为提高柔性横隔板弧形切口的疲劳性能,确定其合理的构造型式,以某公路钢箱梁桥为背景,采用ANSYS软件建立了精细化的节段模型,进行了弧形切口的应力响应分析;基于热点应力法,采用IIW推荐的S-N曲线,结合P-M线性累计损伤律对弧形切口的疲劳寿命进行了评估;研究了目前常用的切口型式的受力对横隔板高度和厚度变化的敏感性。研究结果表明:原设计中横隔板与U肋相交焊缝末端处细节的疲劳寿命仅2.2年,弧形切口自由边的细节为无限寿命;对于几种常见切口型式,随着横隔板高度的增加,最大主拉应力呈先减小再增大的变化趋势,而最大主压应力呈单调增大趋势;高度一定时,随着横隔板厚度的增加,弧形切口的主应力均减小;若将原设计柔性横隔板的高度由450mm增加至650mm、将厚度由8mm增至10mm,可将弧形切口的最大主拉应力减小44.3%;将最大主压应力减小16.4%。

加筋壁板大开口结构稳定性分析及试验验证

为了研究加筋壁板大开口结构的压缩承载极限问题,规划了两组具有不同设计参数的试验件进行了静力试验,并同时采用了线性特征值法以及非线性的弧长法对其压缩极限进行了对比分析。在采用弧长法分析时,引入了模态扰动技术,而且考虑了材料的弹塑性性质。计算结果与试验的对比表明:针对复杂结构稳定性问题,屈曲特征值法具有较大局限性,而结合模态扰动的弧长法对这种复杂的加筋壁板类结构压缩极限的分析精度较好。通过分析给出了加筋壁板大开口结构设计的一些建议。

钢-聚氨酯夹层桥面横隔板切口应力分析

钢箱梁弧形切口疲劳开裂是最常见的疲劳病害问题之一,该处容易造成应力集中。为解决这一问题,本文提出使用新型钢-聚氨酯夹层桥面板(简称"SPS桥面板"),通过分别建立使用钢桥面板和夹层桥面板的钢箱梁节段模型,比较两者在整体结构的应力、弧形切口周边应力,结果表明夹层桥面板的使用显著降低了弧形切口应力,有利于缓解疲劳开裂风险。