Parametric equations for notch stress concentration factors of rib—deck welds under bending loading

The effective notch stress approach for evaluating the fatigue strength of rib-deck welds requires notch stress concentration factors obtained from complex finite element analysis.To improve the efficiency of the approach,the notch stress concentration factors for three typical fatigue-cracking modes(i.e.,root-toe,root-deck,and toe-deck cracking modes)were thoroughly investigated in this study.First,we developed a model for investigating the effective notch stress in rib-deck welds.Then,we performed a parametric analysis to investigate the effects of multiple geometric parameters of a rib-deck weld on the notch stress concentration factors.On this basis,the multiple linear stepwise regression analysis was performed to obtain the optimal regression functions for predicting the notch stress concentration factors.Finally,we employed the proposed formulas in a case study.The notch stress concentration factors estimated from the developed formulas show agree well with the finite element analysis results.The results of the case study demonstrate the feasibility and reliability of the proposed formulas.It also shows that the fatigue design curve of FAT225 seems to be conservative for evaluating the fatigue strength of rib-deck welds.

钢桥面板U肋板单元智能焊接参数与工艺优化研究

顶板⁃U肋焊缝是钢桥面板中的典型易疲劳部位,保障焊缝焊接质量是提高其疲劳性能的有效措施。本文通过开展半自动焊接小车、龙门式多嘴头自动焊机和智能跟踪焊接机器人的顶板⁃U肋焊缝焊接试验,并以焊缝熔深为指标,评估了三种焊接技术下的顶板⁃U肋焊缝焊接质量,明确了各技术及其参数对焊接效果的影响。研究结果表明:半自动焊接小车整体焊接质量较差,龙门式多嘴头自动焊机焊接后焊缝熔深随着焊枪与面板夹角增大呈现先增大后减小的变化规律,当焊枪与顶板夹角为38°时,熔深合格率达到最高。焊接机器人相较于半自动焊接小车与龙门式多嘴头自动焊机能够提供更高的焊接质量和焊接稳定性。

450级大U肋正交异性组合桥面板静力力学性能

为了研究大U肋正交异性组合桥面板的静力力学性能,以U肋开口宽为450mm的正交异性钢桥面作为研究对象,引入超高性能混凝土,设计制作了两个足尺的大U肋正交异性超高性能混凝土组合桥面板,通过静力加载试验测试了大U肋正交异性组合桥面板的承载能力、破坏形态及主要截面上的应变;在此基础上,建立基于UHPC塑性损伤的有限元模型展开参数化分析。试验结果表明:大U肋正交异性组合桥面板的U肋厚度由8mm提升到10mm,屈服荷载与极限承载力提升了24.86%与47.48%,纯弯段混凝土裂缝数量减少,裂缝间距增大,加劲肋厚度的改变对于结构静力性能的影响主要体现在结构的非线性阶段。参数化分析结果表明:改变450级大U肋截面构造尺寸对结构屈曲变形能力有不同程度的影响,顶板厚度的改变对结构极限状态时的安全系数影响较小,提高U肋厚度可以大幅提高结构安全储备。依据试验结果与有限元分析提出了450级大U肋钢-UHPC组合桥面板的屈曲折减系数经验公式,该系数同U肋高厚比与U肋底板宽厚比更为相关。

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。

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。

加肋钢悬臂支撑-底部钢板组合桥面拓宽技术

[目的]在桥面拓宽施工过程中,常出现新旧桥连接处纵向开裂、拓宽桥面横向开裂等典型问题,如何通过优化和改进桥面拓宽技术解决这些问题是桥梁工程的一个重要内容.[方法]以国内首座跨海大桥——厦门大桥的桥面拓宽工程为背景,提出了一种加肋钢悬臂支撑-底部钢板组合的桥面拓宽方法.该方法有机结合了钢-混组合梁、正交异性钢悬臂板、底部加固钢板等桥面拓宽加固方法,采用混凝土现浇板作为桥面板、湿接法连接新旧桥梁,然后通过外延加肋钢悬臂构建支撑结构,并兼做现浇桥面混凝土的永久性模板.[结果]厦门大桥桥面拓宽加固工程的三维有限元仿真结果表明,钢悬臂布置间距增大会导致拓宽部分混凝土桥面板的拉应力增加,而设置下部加固钢板对于拓宽桥梁结构的挠度和应力分布影响明显.[结论]通过合理布置钢悬臂支撑结构和底部钢板,可显著减少拓宽部分混凝土纵横向裂缝的产生,改善拓宽后的桥梁的力学性能.相关成果有效支撑了厦门大桥的拓宽加固改造施工,为同类工程提供了有益的参考.

钢箱梁顶板-U肋疲劳裂纹钢板加固参数与效果分析

为研究钢板加固钢箱梁顶板-U肋疲劳裂纹的具体加固参数与加固效果,以加固件长度与厚度、是否设置加劲肋为变化参数,建立局部有限元分析模型,通过分析顶板-U肋焊趾处应力,评估受损构件的钢板加固效果,并提取裂纹尖端应力强度因子,研究不同参数对于加固效果的影响规律。结果表明:采用钢板加固顶板-U肋焊缝细节,可使模型中焊趾应力峰值降低约40%;胶层破坏时通常从顶板处开始破坏,现场加固时应确保顶板处胶层粘贴紧固;当钢板长度大于裂纹长度时,钢板长度对裂纹尖端应力水平影响较小,加固时保证钢板能够完全覆盖裂纹即可;当钢板板厚达母材板厚的1/2时加固效果趋于稳定,实桥加固时可取板厚为母材板厚的一半;与未加固裂纹相比,采用带加劲肋钢板可将裂纹尖端应力强度因子降低约50%,建议在加固时采用带加劲肋钢板,进一步提升加固效果。

正交异性钢桥面板疲劳裂纹复合加固方法

为实现纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹的有效加固,提出一种内焊-反U肋复合加固方法,设计了双U肋模型,基于断裂力学理论对该加固方法进行评估。采用特定边界位移法对已有模型进行切割,切割后模型与原模型吻合精度高。对焊根处疲劳裂纹扩展过程进行模拟,裂纹扩展过程中深度方向前缘的应力强度因子呈先快后慢逐步上升的趋势;裂纹长度方向前缘的应力强度因子初期逐步上升,扩展至顶板厚度的1/3时下降。分析发现:内焊-反U肋复合加固方法能显著降低裂尖应力强度因子,在裂纹扩展至桥面板厚度1/2时,与未加固模型相比,椭圆裂纹尖端A、B、C点(A点和C点分别为半椭圆裂纹在长度方向上的裂尖端,B点为裂纹在深度方向上的裂尖端)的应力强度因子降幅分别为63.72%、69.77%、62.72%。

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。

某大跨超宽波形钢腹板桥横向受力分析与研究

通过Abaqus软件建立三维节段模型,分析了空间受力特性表明该桥的横向受力满足规范要求,分析了箱间加肋桥面板的受力分布形态和极限承载力,表明箱间加肋桥面板受力不同于箱内桥面板,箱间加肋桥面板为双向受力构件,有着足够高的安全储备。

T型加劲肋钢顶板-纤维混凝土组合桥面板疲劳性能分析

为研究T型加劲肋钢顶板-纤维混凝土组合桥面板疲劳性能,以某座T型加劲肋钢顶板-纤维混凝土组合桥面板体系的连续钢箱梁桥为研究对象,进行局部足尺模型的疲劳性能试验,并建立有限元模型。在验证有限元模型正确的基础上,通过有限元模型计算,确定组合桥面板疲劳细节最不利位置,并对比各疲劳细节最不利位置刚度、热点应力以及应力集中系数,分析混凝土桥面板和栓钉布置形式对组合桥面板疲劳性能的影响。研究结果表明:通过局部足尺模型试验的实测数据,验证了有限元模拟方法的相对误差均不超过10%,具有较好的精度;与无混凝土板的纯钢T型加劲肋钢桥面板试件模型相比,铺设混凝土组合桥面板试件的整体刚度更高,并且大幅降低了各疲劳细节的热点应力;采用“错焊”栓钉布置形式,可以有效降低钢顶板与T肋的双面角焊缝处应力集中系数,最大减幅接近20%,建议在实际工程中应避免将桥面板栓钉“正焊”于T肋上方。

钢-UHPC组合桥面板构造参数研究

以某高速公路跨航道大桥为背景工程,着眼于钢-UHPC组合桥面板参与第一体系受力的关键参数,采用有限元分析软件ANSYS建立全断面节段模型,重点对比钢板和UHPC板厚度的影响、不同加劲肋形式的影响、不同加劲肋间距的影响和箱室中部不同剪力钉间距的影响,为组合桥面板设计优化提供方向。

UHPC提升钢桥面板顶板-纵肋连接疲劳性能研究

文章采用有限元模型分析了在有UHPC铺装层及无刚性铺装层情况下横隔板处及横隔板间顶板-纵肋连接典型构造细节的轮载作用效应,并讨论了UHPC铺装层提升钢桥面板顶板-纵肋连接疲劳性能效果。研究结果表明,在无刚性铺装层情况下,构造细节HG、HZ、HL、DG、DZ和DL的最不利应力分别为-103.5 MPa、-56.8 MPa、8.9 MPa、-92 MPa、-97.5 MPa和-62.5 MPa,采用50 mm厚UHPC铺装层后,各构造细节最不利应力分别下降为-7.9 MPa、-9.5MPa、-8.3 MPa、9.0 MPa、7.5 MPa和-14.4 MPa;UHPC铺装层对钢桥面板顶板-纵肋连接的疲劳性能提升明显,各构造细节在轮载作用下的应力均小于疲劳截止限,不存在疲劳开裂风险。

下承式系杆拱桥吊杆更换过程的受力分析

早期修建的下承式系杆拱桥受当时技术水平、材料质量及施工质量等因素的影响,随着桥梁运营时间的增加,拱桥吊杆的安全性和可靠性逐渐降低,因此需要及时更换达到设计寿命的吊杆。以某主跨为238m的大跨径钢管混凝土提篮拱桥为例,针对系杆拱桥吊杆更换过程进行受力分析,以得到更好的施工控制策略,分析结果表明:①在吊杆更换施工过程中,临时兜吊内力施工误差为2%时,施工过程中的桥面变形可控制在1.5cm以内,当临时兜吊内力施工误差为5%时,施工过程中的桥面变形达到了2.6cm以内,吊杆张拉力误差越大,桥面变形越大;②在吊杆更换施工过程中,当临时兜吊内力施工误差为5%时,桥梁应力及临时兜吊应力均能满足要求;③建议吊杆更换施工过程中,临时兜吊内力转移时严格控制施工误差在2%以内。永久吊杆与临时兜吊之间的吊杆内力转移过程中,加强监测相邻吊杆处桥面标高变化,使其变化在设计控制范围内。

基于足尺节段模型的正交异性钢桥面疲劳性能

为了研究正交异性钢桥面的疲劳性能,根据新结构细部焊接工艺的研究成果和合理的结构参数,设计了足尺节段疲劳试验模型,通过足尺模型试验确定不同焊接工艺下各疲劳易损细节的实际疲劳抗力。铺装层作为钢桥面板之上的行车功能层,直接承担车辆轮载。分别设计了树脂沥青铺装和浇注式沥青铺装两种铺装结构,进行武汉市江汉七桥铺装层与正交异性钢桥面板协同受力体系的模型试验,并考虑温度的影响。研究结果表明:有铺装层的钢桥面板U肋与顶板构造细节,由于铺装层与钢桥面板的协同作用,其应力幅值相较于无铺装层时显著降低;该应力幅值随着铺装层温度的升高而增大。

上海浦星公路230m组合桥面系杆拱桥设计

上海浦星公路主桥采用下承式组合桥面系杆拱桥,跨径为230 m,桥宽43.4 m。主拱拱轴线采用二次抛物线,矢跨比为1/5,拱肋高3.6 m,拱肋之间通过6道一字横撑连接,拱肋内倾角度12°。拱桥采用提篮拱布置,主拱由拱肋和横撑组成。拱肋采用焊接矩形钢箱结构,沿拱轴线保持等高等宽。吊杆锚固拱上采用叉耳板,系梁上采用锚管;叉耳板和锚管均插入隔板。桥面系为组合桥面结构,桥面板采用C50厚260 mm预制混凝土板。关键技术问题包括合理成桥状态确定、吊杆和系杆锚固设计、混凝土桥面板开裂控制分析和拱梁结合部构造分析等。计算分析表明,该桥的静力、动力及稳定性满足设计要求。

大跨度蝶形钢结构组合桥梁设计与施工

丽水好溪特大桥主桥为跨径208 m蝶形钢结构组合桥梁,该桥采用先梁后拱、缆索吊拼装方式施工,钢拱系统由主、副拱肋及其连杆、风撑组成,主梁梁格体系由主纵梁、横梁、正交异性钢桥面板等组成。为平衡成桥状态钢拱系统推力,每个主纵梁内均设置可换索式体外束系杆;每个吊点设2根镀锌平行钢丝成品吊索,上下均采用叉耳销轴式锚固。有限元计算结果表明,主梁、拱肋、吊索受力均满足规范要求。

正交异性钢桥面板顶板贯穿型疲劳裂纹研究

正交异性钢桥面板的顶板疲劳裂纹,特别是萌生于焊根的顶板裂纹,对桥面系的安全使用危害很大。钢桥面板有限元节段模型计算分析表明,顶板横向应力分布在横隔板截面和跨中部分差别较大,前者类似固端梁,后者类似弹性支承多跨连续梁;顶板-纵肋连接处的应力纵向和横向影响线很短,疲劳验算可不考虑同一车辆轴重间的相互影响及多车效应;横隔板截面处萌生于焊根的顶板裂纹更易发生。参数分析结果还表明,增加顶板厚度可大大降低顶板的应力幅,铺装层的完整性对钢桥面板十分重要。此外,通过对现有试验数据的分析,采用焊趾或焊根处顶板底面的横向热点应力作为参考应力,顶板裂纹的疲劳等级可达到Eurocode的125级。

正交异性钢桥面板纵肋腹板与面板连接构造的疲劳试验研究

针对正交异性钢桥面板的纵肋腹板与面板连接构造易出现疲劳裂纹的问题,通过不同纵肋腹板与面板厚度配合及制造工艺共5组48个连接构造试件的疲劳试验,研究正交异性钢桥面板纵肋腹板与面板连接构造的疲劳性能及疲劳设计S-N曲线。研究结果表明:当12mm厚的面板搭配8mm厚的纵肋腹板时,试件发生沿面板厚度方向的剪切破坏,疲劳性能较差;当面板厚度从14mm增至16mm时,试件的疲劳性能有所提高;当面板厚度从16mm增至18mm、纵肋腹板厚度从8mm增至9mm时,试件的疲劳性能基本无改变;双侧熔透焊对疲劳试件的疲劳性能无改善,反而略低于单侧熔透75%焊。对连接构造试件的疲劳试验数据进行S-N曲线回归分析表明,连接构造可归为铁路桥梁钢结构设计规范中的IX类构造,当破坏循环次数为2×106时,其应力幅为71.9MPa。

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。