正交异性钢桥面板疲劳性能的影响分析
广东建材2018年第11期正交异性钢桥面板疲劳性能的影响分析
刘森
（厦门市路桥管理有限公司）
【摘要】正交异性钢桥面板由于重量轻，极限承载力大，适用范围广，已广泛应用于大跨度公路桥
梁钢箱梁。作为全焊接结构，由于其复杂的几何结构，在车轮载荷下的独特力性能，焊接操作引入的残
余应力和焊接缺陷等导致正交异性钢桥面板疲劳开裂现象突出。在本文的研究中，首先分析了正交异
性钢桥面板的力学特性和疲劳影响因素，然后提出了疲劳修复方法。
【关键词】正交异性钢桥面板；疲劳性能；成因；修复
1引言
正交异性钢桥面板因其在机械性能和经济性方面的突出优势而被广泛应用于现代桥梁工程中。然而，虽然具有突出的优点，但这种结构的疲劳问题更加突出。国内外正交异性桥梁钢桥面典型疲劳案例表明：一旦正交异性钢桥面发生疲劳，就会直接影响结构的运行质量，甚至会大大降低其承载能力；疾病修复不仅昂贵且难以实现期望的修复效果。因此，研究正交异性钢桥面板的疲劳特性具有重要的理论和实际意义。
2正交异性钢桥面板的受力特点
作为主梁的组成部分，正交异性钢桥面板是纵梁的上法兰和主梁的上法兰。根据传统的三结构系统分析方法，可以概括为主梁系统、桥面系统和覆盖系统。主梁系统是指由盖板和纵向肋构成的主梁的上凸缘，纵梁是主梁的组成部分。甲板系统是指盖板作为纵肋和横肋的公共上法兰，桥面系统的三个部件支撑在主梁上以承受桥面上的载荷。盖系统仅将盖子视为支撑在纵向肋和横向肋上的各向同性连续板，直接承受车轮的局部载荷并将载荷传递给纵向肋和横向肋。
钢桥面板的应力分布具有以下特点。
⑴在车辆活载荷的作用下，主梁系统的应力相对较小，主要反映在桥面系统和盖板系统的局部应力中。
⑵车轮载荷的大小决定了钢桥面板的应力大小，但其车轮载荷影响线较短，冲击范围相对有限。
⑶对于钢桥面板的某些结构细节，车辆产生的应力循环次数与应力的纵向影响线的长度和车辆的轴距有关。
⑷盖板中的第三系统平膜具有较小的应力，主要由平面外弯曲应力反映。
⑸在纵向肋的下边缘的平面中仅存在纵向膜应力，并且存在纵向肋腹板的平面外的弯曲应力和面内膜应力。
⑹梁的腹板上的应力主要由平面中的薄膜应力反映，但在与纵向肋的腹板连接处的腹板处存在一定的平面外弯曲应力。且应力集中现象明显。
⑺纵向肋穿过梁腹板的弯曲开口处的应力集中也是非常明显的。
总之，正交异性钢桥面板由于应力线短、接头细节的应力集中以及面外变形下的二次应力而易于疲劳开裂。
3正交异性钢桥面板疲劳问题的影响因素
正交异性钢桥面板具有力性能和经济性的双重优势。横向肋（隔板）板连接以形成板结构，该板结构满足纵向和横向上的不同力要求。结构体系和成形方法使正交异性钢桥面板具有突出的优点，结构复杂，焊缝多，局部轮载直接作用。桥面板以鼓形变形，并且应力集中发生在几何构造的不连续部分中，例如主构件的互连和相互约束。焊接工作中的瑕疵问题以及制造时出现的偏差问题，都会产生应力集中现象，这又会加重导致疲劳和板面的脆性。随着现代交通工具的发达，桥面和路面往往要承受非常大的压力，这种情况下，疲劳易损部位就很容易出现裂缝，进而不断扩大范围，最后导致钢桥表面部位的疲劳问题，一些常见的疲劳部位以及脆弱部位如图1所示。
日本东京两条具有代表性的高速公路约7，000个封闭纵肋正交异性钢桥面板疲劳缺陷的统计分析得到的主要疲劳裂纹类型及其组成如表1所示。
在我国，到现在为止，桥面一共出现了大约十七种疲劳裂痕，这其中比较常见的一种裂痕以及它所占的百
质量控制与检测44
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正交异性桥面板设计参数和构造
正交异性桥面板设计参数和构造 细节的疲劳研究进展 1 背景 第二次世界大战后，一方面大量被战争毁坏的桥梁急需修复，另一方面建筑材料非常短缺。在此情况下，欧洲的工程师们开始尝试采用一种新型的桥面结构形式——正交异性钢桥面板。它由面板、纵肋和横肋组成，三者互相垂直，通过焊缝连接成一体共同工作。它以自重轻、极限承载力大、施工周期短等优点，成为世界上大、中跨度现代钢桥通常采用的桥面结构形式。从20世纪50年代德国最先使用这种桥面板至今，欧洲已有1000多座各种形式的正交异性钢桥面板桥梁，日本有将近250座正交异性钢桥面板桥梁，北美有100余座正交异性钢桥面板桥梁[1]。 我国正交异性钢桥面板我国正交异性钢桥面板的研究和应用起步较晚，直到20世纪70年代初，才建成第一座钢桥面板桥——潼关黄河铁路桥。改革开放以来，国内正交异性钢桥面板桥呈现出迅猛发展势头。迄今为止，我国已建造的采用正交异性钢桥面板的桥梁有30余座。正在建造的采用正交异性钢桥面板的铁路钢桥有郑州黄河公铁两用桥和京沪高速铁路南京大胜关长江大桥等。 正交异性钢桥面板有其独特的优点，但同时钢桥面板疲劳开裂的事例也在许多国家的钢桥中出现。最早报道的是英国Seven桥，该桥1966年建成通车后，分别于1971年和1977年发现了3种焊接细节的疲劳裂纹。德国的Haseltal和Sinntal桥投入使用后不久，钢桥面板也都出现了疲劳裂纹。此外，法国、日本、美国、荷兰等国也都发现了钢桥面板疲劳开裂事例。钢桥面板在我国使用的时间虽然不长，但是已经在某些桥中发现了钢桥面板疲劳开裂的现象。这些疲劳裂纹严重影响了桥梁的使用寿命，因此，对正交异性桥面板疲劳问题的研究是目前桥梁建设中的关键和热点，各国学者在此领域取得了一系列研究成果。国内在20世纪80年代初，铁道科学研究院等相关单位以西江大桥为研究背景，对公路正交异性钢桥面板参与主桁共同工作时的结构特性进行了较为全面的分析及试验研究[2]。1995年，同济大学童乐为在博士论文中对采用开口肋形式的钢桥面板的疲劳性能进行了较为系统的分析[3]。时至今日，正交异性桥面板的结构形式较当初已经发生很大变化，大量新的研究成果相继涌现。 2 正交异性桥面板设计参数的疲劳研究 2.1 面板 面板的最小厚度一般取决于其在轮载作用下的允许变形，为保证桥面铺装层不产生裂纹，纵肋之间面板的竖向挠曲变形不大于0.4mm。基于上述原 则，面板厚度t d可由Kloeppel公式计算： 式中：a为开口截面纵肋间距或闭口截面纵肋腹板最大间距，mm；p 为轮载面压力，kPa。 同时各国规范根据各自的车辆荷载及桥面铺装层情况，为保证钢桥面板的施
正交异性钢桥面板U肋嵌补段焊缝疲劳裂纹加固
正交异性钢桥面板U肋嵌补段焊缝疲劳裂纹加固 摘要; 本文调查研究了某大跨度桥梁正交异性钢桥面板U肋嵌补段对接焊缝位置疲劳裂纹，采用安全寿命法分析了疲劳裂纹产生的原因，提出了U肋嵌补段疲劳裂纹加固方案。 关键词: 正交异性钢桥面板，U肋嵌补段，疲劳裂纹，加固 Abstract: In this paper the research of a long-span Bridges orthotropic steel bridge panel U rib fill section embedded butt weld position fatigue crack, the safety life was analyzed the reasons of the fatigue crack, and put forward the U rib for fatigue crack embedded for strengthening project. Keywords: orthotropic steel bridge panel, U ribs for embedded section, the fatigue crack, reinforcement 1 引言 正交异性钢桥面板是由纵、横互相垂直的加劲肋连同桥面盖板所组成的共同承受车轮荷载的结构，以其自重轻、承载能力强和整体性好等优点在国内外大跨度桥梁中得到广泛应用，如日本的明石海峡大桥、法国的诺曼底大桥和中国的苏通长江大桥等都采用了正交异性钢桥面板的形式。 U肋嵌补段是大跨度钢桥节段施工过程中两个相邻节段预留的在现场拼装的U肋，对于桥面顶板的U肋嵌补段，在现场拼装焊接时要采用仰焊工艺，焊接质量不易保证，在重载交通下容易产生疲劳裂纹，是正交异性钢桥面板典型的疲劳细节之一。 本文通过对某大跨度桥梁的正交异性钢桥面板U肋嵌补段的疲劳裂纹进行分析研究，提出了此类疲劳裂纹的加固方案。 2 U肋嵌补段焊缝疲劳裂纹 2011年6月，在某大跨度桥梁正交异性钢桥面板U肋嵌补段对接焊缝位置发现疲劳裂纹，如图1所示。U肋嵌补段疲劳裂纹1（a）和裂纹2（b）已经完全贯穿整个U肋，U肋在此位置已经丧失承载能力；疲劳裂纹3由于及时钻了止裂孔，裂纹在U肋底板止裂孔位置停止扩散，没有扩散到整个U肋；从图1（d）中可以发现，有些裂纹已经从U肋发展到桥面顶板，并沿着U肋与桥面顶板的焊缝发展，逐渐贯穿桥面顶板，对桥梁的安全性造成极大的影响。从图片中可以看出，U肋嵌补段对接焊缝位置的疲劳裂纹都是在焊缝的热影响区内产生
midas fea_钢桥疲劳分析
midas FEA Training Series 钢桥的疲劳分析 一. 概要 1. 分析概要 钢桥的疲劳裂纹一般是由焊接缺陷、结构的几何形状引起的应力集中、结构的应力变动幅度以及重复加载等原因引起的。重复加载会引起疲劳裂纹发展，严重时会引起结构破坏，因此对抗疲劳较弱的部位应进行分析确定其抗疲劳能力。 本例题中钢桥采用焊接和螺栓连接，分析采用S-N 曲线方法即应力－寿命方法确定结构的疲劳寿命和损伤度。 2. 分析步骤 疲劳分析的步骤如下： 1) 首先做结构静力分析确定最大和最小应力的绝对值或者计算von Mises 应力，从而获得应力幅。 2) 当作用应力为变幅时，使用可将各应力幅组成起来的雨流计数法(Rain flow counting)和S-N 曲线计算。 3) 考虑平均应力的影响确定疲劳寿命和损伤度。 ? 建模 → 线性静力分析 → 应力疲劳分析 → 确认分析结果 3. 疲劳分析的注意事项 分析类型应为线性分析，且只对使用各向同性弹性材料模型的结构做疲劳分析。线性分析后，使用得到的应力再做疲劳分析。 二. 疲劳分析的理论背景 1. 疲劳分析 疲劳是指在小于构件的屈服强度的荷载反复作用下构件发生破坏的现象。疲劳分析的方法有应力-寿命法、应变-寿命法。应力寿命法具有计算简单和 分析速度快的特点。midas FEA 中利用S-N 曲线使用应力寿命法进行疲劳分析。 2. S-N 曲线 S-N 曲线是等幅反复荷载作用下的应力幅(stress amplitude, S)与构件到达破坏时的循环次数(cycle to failure, N)的关系曲线。 在静力分析结果中取最大绝对应力(maximum absolute stress)和最小绝对应力(minimum absolute stress)或范梅塞斯应力(von Mises stress)计算应力幅(stress amplitude)，然后使用S-N 曲线就可以知道发生疲劳破坏时的疲劳寿命和循环次数。 当没有输入材料的S-N 曲线时，一般使用如上图所示的S-N 曲线。上面的S-N 曲线是连接90%最大应力幅(S u )重复1000次的点与疲劳极限应力幅 (S e =0.5S u )重复1,000,000次的点的曲线。 midas FEA 中使用Miner 准则的S-N 曲线，即认为小于疲劳极限应力幅的反复应力对疲劳寿命没有影响。 3. 考虑平均应力的影响 即便作用在结构上的应力幅(σa )相同，但是平均应力(σm )不相同时，结构的疲劳寿命也会不一样。平均应力越大，最大应力和疲劳极限应力就越小。为了考虑平均应力的这种影响，Goodman 和Gerber 分别建议采用下面公式。 4. 雨流计数法(Rain flow Counting) S-N 曲线是等幅(constant amplitude)应力作用下发生疲劳破坏时的反复作用次数的曲线。实际发生的应力一般具有变幅(variable amplitude)特性。 为了计算变幅应力作用下的疲劳损伤，需要将变幅应力转换为多个等幅应力的组合。midas FEA 为了统计循环次数使用了雨流计数法。 建 模 线性静力分析 疲劳分析 确认分析结果 2 1a m e u S S σσ??+= ??? 1 a m e u S S σσ+ =Goodman (England, 1899) Gerber (Germany, 1874) u S e S Compressive mean stress σm σa Goodman Gerber
正交异性板简支钢梁桥建模(algor,ansys)
现代钢桥设计与计算理论参考材料 正交异性板简支梁桥空间模型计算孙秀贵孟续东陈艳秋唐毅周刚郑凯锋 西南交通大学
第一篇正交异性板简支钢梁桥ALGOR建模计算一、打开aglor软件和设定基本操作说明 将桌面上或相应目录中的algor的图标双击打开程序。 选择新建>FEM模型，分析类型选择>线性材料模型的静应力，点击新建，如下图。 弹出“另存为”对话框，确定文件名以及文件的保存路径，最后点击保存。
二、设置单位体系 在主菜单中选择工具>单位 在“unit system”对话框中选择“Metric mks(SI)”； 进行同样操作，更改“unit system”对话框，选择“Custom”； 在“length”对话框中选择“mm”，其他对话框保持不变； 点击“ok”按钮。 三、建立材料库 主菜单>工具>管理材料库 选择“Create New Library”,输入自定义材料库文件的保存路径和名称，单击保存按钮。 再点击确定按钮。
根据本模型需要，建立两种材料：1、钢材；2、混凝土。 右击自定义的材料库，选择“Add New Material” “Material name”对话框中输入材料名称“steel”； “Material model”对话框中选择标准； 在单位体系对话框中选择米制，米千克秒（SI）； 更改单位体系，为自定义，长度对话框中选择“毫米（mm）”，单击“ok”按钮。
进行上述相同操作，增加材料“concrete”自定义材料。建立两种材料后，如下图所示： 分别对新建的两种材料输入材料特性： concrete（采用C40混凝土）: 质量密度(N/mm^3/g)：2.548e-9 弹性模量(N/mm^2)：3.25e+4 泊松比：0.2； 剪切弹性模量(N/mm^2)：1..3e+4 线膨胀系数：1.0e-5 Steel： 质量密度(N/mm^3/g)：7.85e-9
钱冬生--关于正交异性钢桥面板的疲劳
关于正交异性钢桥面板的疲劳 ——对英国在加固其塞文桥渡时所作研究的评介 钱冬生3 提 要 对英国塞文桥渡正交异性板构造的疲劳裂纹产生的原因、所作试验及对其疲劳寿命计算作了介绍,并进行了探讨。 关键词 英国 塞文桥渡 钢正交异性板 疲劳 3教授,610031,西南交通大学 1 塞文桥渡的原结构 塞文桥渡包含:中跨988m 的塞文悬索桥,中跨 234.7m 的瓦埃斜拉桥,跨度61.7～64.0m 的连续梁(引桥)。其钢梁为全部采用正交异性钢桥面板的单室单箱截面梁。 钢正交异性板桥面是在第二次世界大战之后于50年代初期出现的。开始时纵肋用开口截面,在60年代逐渐改为闭口截面。由于制造工艺使闭口纵肋长度受到限制,其设计长度以相邻两横梁之间的距离来决定。在塞文桥渡,此长度为4.572m (悬索桥范围内)和4.267m (其余部分)。纵梁两端抵住横梁,用角焊缝作连接(横梁实质上由横肋及横隔板组成,将箱梁的部分顶板和底板 当作横梁的翼缘使用;横梁高度与箱梁高度相同。)。按照悬索桥的设计说明,强度和刚度都不控制加劲 梁。因此,钢材厚度主要按制造和安装要求决定。面板厚度为11.5mm ,纵肋厚度为6.4mm ,角焊缝焊脚为6mm 。图1为英国TRRL (T ran spo rt and Road R esearch L abo rato ry ,运输和道路研究试验所)所用试件的截面,其中(a )完全按塞文桥渡各钢梁的尺寸办理,(b )表示改进方案,将纵肋截面从梯形改为V 形; 在纵 图1 TRRL 试件截面 肋同横梁相遇处,在横梁开孔,让纵肋穿过。 还需指出:塞文悬索桥在压低造价方面有些过火。它省去储梁场地,省去运梁驳船;只是需要在梁段端头敞口处,用一厚5mm 的横隔板充当“封头板”,使梁段变成浮体;既可在水上储存,又可用拖船直接将它推顶到桥位。这样一来,封头板上端便同梯形纵肋下缘相焊,而这一焊接构造就使纵肋在运营中开裂。2 英国桥规BS 5400第10篇 英国B S 5400第10篇是1980年公布的。其译本见文献[1],对其主要部分、特别是其从文献[3]制订焊接构造分级的经过,见文献[2]。 此规范的优点,在于讲明基本原理,那就是凭借荷载频值谱来推算验算点的应力频值谱,再用M iner 的线性积伤规则,将应力频值谱换算成常幅加载的应力,借以同验算点的疲劳抗力相比,若前者不大于后者,则验算就是通过。文献[1]p 182的插页内的表11,或文献[2]p 84的插页内的图3-11,都是该规范的典型营业车荷载。而文献[1]p 181的图10-17则是迹线分布频数图,这就是说,当某验算点的应力在横桥方向的影响线很短而纵标变化剧烈时,需要将横向影响线按100mm 宽度划分成10多份,按这图所给分布频数推算各份之内的车数,再按影响线纵标推算相应的应力,从而推出应力频值谱。文献[4]p 1所介绍的疲劳检算方法,就指出了要使用文献[1]的表11和图10-17。 关于验算点的疲劳抗力,文献[1]在第10篇附录H 用表17a 、b 、c 的图和文字说明了各种构造按疲劳抗力所进行的分级,包含A 、B 、C 、D 、E 、F 、F 2和G 以及W ,而附录A 则用S 2N 关系(致伤应力脉—加载次数)表达不同分级构造对疲劳的抗力。由文献[2]所介绍的制订这项构造分级的经过可知:所用作依据的疲劳试验的试件,一般是承受轴向力的小试件。因此,在这一规范正文第5.4条(见文献[1]p 115)明确指出:表17中的各分级不适用于公路桥正交异性钢桥面板的焊接构造。 8 桥梁建设 1996年第2期
粉房湾长江大桥正交异性桥面板单元制作及变形控制
2012年6月上第41卷第366期施工技术 CONSTRUCTION TECHNOLOGY 11 粉房湾长江大桥正交异性桥面板 单元制作及变形控制 沈念龙，李朝兵，丁瑞平，汪雪风 （中建钢构江苏有限公司，江苏 靖江 214532） ［摘要］结合重庆粉房湾长江大桥钢结构工程实例，针对本工程特点与难点，详细介绍了桥面板的制作要点以及变形控制， 包括钢板校正、U 形肋拼装、焊接变形控制，板块摆放及约束，焊接顺序和方向，焊接校正方法及操作步骤。通过对正交异性桥面板单元制作及变形控制技术的研究，并应用于粉房湾长江大桥钢结构工程中，取得了良好的效果。 ［关键词］桥梁工程；斜拉桥；正交异性桥面板；变形控制；焊接［中图分类号］TU758．11；U443．31 ［文献标识码］A ［文章编号］1002-8498（2012）11-0011-02 Unit Making and Deformation Control of Orthotropic Bridge Deck for Powder Room Bay Yangtze River Bridge Shen Nianlong ，Li Chaobing ，Ding Ruiping ，Wang Xuefeng （China Construction Steel Structure Jiangsu Co．，Ltd．，Jingjiang ，Jiangsu 214532，China ） Abstract ：Combined with steel structure engineering of Powder Room Bay Yangtze River Bridge in Chongqing ， based on the engineering characteristics and difficulties ，the authors introduce main points of making for bridge deck ，including plate correction ，U-rib assembling ，welding deformation control ，plate displaying and constraining ，welding sequence and direction ，the method of welding correction ，operation steps．Through study on unit making and deformation control of orthotropic bridge deck ，and application in steel structure engineering of Powder Room Bay Yangtze River Bridge ，good effect is obtained．Key words ：bridges ；cable stayed bridges ；orthotropic bridge decks ；deformation control ；welding ［收稿日期］2012-04-12 ［基金项目］中建三局课题（CSCEC3B-2011-23） ［作者简介］沈念龙，中建钢构江苏有限公司助理工程师，江苏省靖 江市江阴-靖江工业园区联心路二圩 214532，电话：（0523）84693721，E-mail ：nianlong03@163．com 1 工程概况 重庆粉房湾长江大桥为主跨（216.5+464+216.5）m 双塔双索面半漂浮体系斜拉桥。主桥全长为897m ，由464m 中跨和两侧对称布置的216.5m 边跨组成，在距离梁端60.50m 的位置处设置2个永久辅助墩，大桥设置辅助墩后，结构体系可进一步分为（60.5+156+464+156+60.5）m 5跨连续钢桁架梁斜拉桥。采用上、下层布置方式，公路在上层，铁路在下层。主桥设计基准年限为100年。总用钢量为2.3万t 。 正交异性桥面板是重庆粉房湾长江大桥主要桥面结构，也是许多钢箱梁及钢桁架桥梁中常见的桥面结构，其制作质量的好坏往往反映其钢桥的制作工艺水平。 本文以重庆粉房湾长江大桥正交异性桥面板单元的制作为例，主要从钢板校正、U 形肋拼装、焊接变形控制等方面对带肋桥面板的制作进行探讨。2 桥面板制作要点 1）制作桥面板的钢板在下料前都需要经过预处理， 以达到钢板整平、临时防腐和消除钢板轧制残余应力的目的，为下料和制作提供条件。 2）在专用画线平台上画出板块单元纵、横基线及U 形肋或板条肋位置线。 3）在专用门式组装胎型上组装板单元。4）在船形专用翻转反变形胎架上依照确定的焊接工艺施焊U 形肋及板条肋，并按标准进行外观检查和内部探伤。3变形控制 3.1 板块摆放及约束 为了控制焊接变形，板块的焊接制作专用的焊接反变形胎架，根据不同的板块宽度、厚度，横向设置不同的反变形量， 板块置于胎架上后周边用丝杠
钢桥正交异形桥面板
跨度46.8m公路正交异性板桥面简支钢梁桥（ANSYS板单元模型计算分析） 西南交通大学桥梁工程系 2012年6月
目录 第1章计算资料 (1) 1.1 计算内容 (1) 1.2 设计要求 (1) 第2章桥面板单元模型建立 (2) 2.1 结构计算模型 (2) 2.2 结构边界条件 (5) 2.3 构件截面尺寸 (6) 2.4 结构计算模型参数汇总 (6) 第3章横载作用下的应力及竖向变形 (8) 3.1 顶板的应力和竖向变形 (8) 3.2 U肋的应力及竖向变形 (10) 3.3 横梁腹板的应力和竖向变形 (12) 3.4 横梁翼缘的应力和竖向变形 (14) 3.5 主梁腹板的应力和竖向变形 (16) 3.6 主梁翼缘的应力和竖向变形 (18) 第4章恒载和跨中最不利活载作用下的应力及变形 (20) 4.1 车辆荷载 (20) 4.2 顶板的应力和竖向变形 (22) 4.3 U肋的应力和竖向变形 (25) 4.4 横梁腹板的应力和竖向变形 (29) 4.5 横梁翼缘的应力和竖向变形 (34) 4.6 主梁腹板的应力和竖向变形 (37) 4.7 主梁翼缘的应力和竖向变形 (40) 第5章荷载组合作用下的结构应力 (44) 5.1 概述 (44) 5.2 计算工况 (44) 5.3 U肋最大拉应力 (45) 5.4 U肋最大压应力 (47) 5.5 顶板最大压应力 (49) 5.6 顶板最大拉应力 (50) 5.7 端横梁最大拉应力和剪应力 (51) 5.8 端横梁最大压应力 (54) 5.9 跨中横梁最大拉应力 (55) 5.10 跨中横梁最大压应力 (57) 5.11 主梁下翼缘最大拉应力 (59) 5.12 主梁腹板最大剪应力 (61) 第6章设计总结 (63) 6.1 恒载作用下全桥各构件内力汇总 (63) 6.2 恒载和跨中最不利活载作用下全桥各构件内力汇总 (63) 6.3 恒载和车辆荷载作用下最不利内力汇总 (64) 6.4 结构验算 (64) 6.5 总结 (64)
正交异性钢桥面板疲劳细节优化论文
正交异性钢桥面板疲劳细节优化 摘要：作为早期公路钢桁梁桥破损桥面板更新的主要选择，正交异性钢桥面板已得到应用。为了适应近年来日益增长和加重的车辆轮载，需要对钢桥面板进行疲劳细节的优化。本文采用montecarlo方法模拟50年的疲劳荷载作用，借助三维有限元模型获得两种闭口肋的疲劳细节影响面，运用经典的雨流计数法研究其疲劳损伤度。结果表明相同尺寸下，u形截面常见疲劳细节的受力优于v形截面，疲劳寿命大于v形截面。 关键词：栓焊桁梁桥；钢桥面板；疲劳细节优化；闭口肋 abstract: as the early highway steel truss bridge damage the main selection panel update, orthotropic steel bridge panel has been applied. in order to meet the increasing in recent years and aggravation of the vehicle wheel load, need to steel bridge panel fatigue of the detail of the optimization. in this article, the method of 50 years of simulation montecarlo fatigue load, with the aid of the three dimensional finite element model for two silent ribs fatigue details the extent, using the classical rain flow count method to study the fatigue degree. the results show that under the same size, u shape section of the detail of the stress fatigue common better than v section, fatigue life than v section. keywords: bolt welding truss; bridge steel plate; fatigue
李乔说桥-13：正交异性钢桥面板
李乔说桥-13：正交异性钢桥面板 1让人爱、让人恨的桥面板形式对正交异性钢桥面板，大家都很熟悉，这是钢桥尤其是大跨度钢桥结构中采用最多的一种桥面板结构形式，也是现代钢桥结构重要的标志性成果之一。但这种桥面结构同时也是钢桥领域里最令人头痛的结构之一，可以说是既“让人爱”又“让人恨”的一种桥面结构形式。让人爱，是因为这种结构具有众多的优点，如重量轻、承载力高、适用性强等，是目前为止仍然不能用其他形式桥面板取代的主要结构形式。而让人恨，则是因为它服役几十年以来，不断地出现令人头痛的疲劳开裂和桥面铺装破坏问题，而且成为了一个出现概率很高的普遍性病害、至今也没有公认的既经济又有效的解决措施的病害。 一般的正交异性钢桥面板指在桥面的面板下面采用纵横加 劲肋加强的构造形式，而目前应用最为广泛的正交异性钢桥面板是采用U形纵向加劲肋的构造形式。如图1所示，它由面板（顶板）、U形纵向加劲肋以及横向加劲肋或横隔板组成。目前世界各国已建成的采用正交异性钢桥面板的各类桥梁已超过1500座，我国正在运营和在建中的该类型桥梁数量已达200余座。(a)大跨度钢箱梁斜拉桥(b) 采用正交异性钢桥面板的钢箱梁横断面(c) 正交异性钢桥面板构造示意图及疲劳开裂统计图1 大跨度钢桥及正交异性钢桥面板
2 两大病害最早在大跨度钢桥上发现正交异性钢桥面板疲 劳开裂的是英国Severn桥，该桥开通运营仅5年即发现其 正交异性钢桥面板出现疲劳裂纹。此后，正交异性钢桥面板结构在包括欧洲、美国、日本及我国等世界范围内相继出现了大量的疲劳开裂案例。例如国内某大桥通车数年后即发现大量疲劳裂缝，经过维修加固，再经过几年的运营，又出现了更多的疲劳开裂。这种现象在很多类似结构的桥面板中出现，给桥梁的安全和耐久性带来巨大影响。由于桥面铺装的存在，这种发生在桥面板上的裂缝在开裂初期不容易被发现，一旦发现就已经贯穿顶板了。而且这种裂缝较难修复加固，多数情况下必须中断交通并拆除桥面铺装才能进行。 根据日本对东京2条代表性高速公路中约7000个闭口纵肋正交异性钢桥面板的疲劳病害进行的统计分析结果，主要疲劳裂纹类型及其构成如图1(c)所示。图中带圆圈的编号表示疲劳开裂的部位及类型，圆饼图表示各类型开裂所占的比例。由图可见，占比例最大的为②、③、④类，分别为纵向U肋与横隔板、竖向加劲肋与纵腹板以及纵向U肋与顶板的焊缝开裂。其中的第③类开裂对应的构造现在基本不再采用，所以目前出现最多的是②、④两类。 除了钢桥面板开裂以外，这种结构带来的另一个通病是桥面铺装过早损坏（图2），并成为每座同类桥面板结构的大桥设计时让人颇为纠结的问题。从我国90年代修建的此类结构
公路钢桥抗疲劳设计概述
公路钢桥抗疲劳设计概述 摘要：基于疲劳与断裂是钢构件失效的最可能原因，应对疲劳设计给于相当的重视。本文对我国公路桥梁疲劳设计问题进行了简述，并对国外规范进行了总结。提出了我国疲劳验算的缺陷和制定与完善公路钢桥疲劳规范的迫切性。 关键词：公路钢桥；疲劳设计；荷载模型 abstractbased on fatigue and fracture is the most likely reason in failure of steel members. this paper, resumed the design of highway bridge fatigue problems in our country, and summarized foreign standard. puts forward the defects of fatigue calculation in our country and the urgency to formulate and perfect highway steel bridge fatigue specification. key words: highway steel bridge; fatigue design; load model 中图分类号：u448.14文献标识码： a 文章编号： 1疲劳研究的必要性 公路钢桥的疲劳是指在车辆荷载的反复作用下构件在低于钢材 屈服强度的情况下发生的脆性破坏。[1]钢结构构件最常遇到三种破坏形式：拉构件强度破坏、压构件失稳破坏、反复拉压构件疲劳断裂。其中疲劳与断裂是钢构件失效的最可能原因。据美国1982 统计结果，80%-90%钢桥的破坏与疲劳断裂有关，1967年美国西弗吉利亚州的point pleasant大桥在没有任何征兆的情况下突然倒
基于断裂力学城市钢桥面板疲劳寿命分析
基于断裂力学的城市钢桥面板疲劳寿命分析* 摘要：正交异性钢桥面板承受着车辆动荷载的反复作用，容易造成疲劳累计损伤，导致钢桥面板出现疲劳开裂现象。为研究某城市桥梁钢桥面板的疲劳寿命，建立钢桥面板有限元模型，选取钢桥面板4种典型疲劳细节，根据实测所得到的城市车辆荷载频值谱，计算得到相应的应力历程和应力谱。基于线弹性断裂力学理论，对这4种疲劳细节进行疲劳寿命分析，结果表明：在桥梁设计基准期内钢桥面板不会发生疲劳破坏。 关键词：正交异性钢桥面板；城市桥梁；车辆荷载；断裂力学；疲劳寿命分析 钢桥具有自重轻、强度高、施工快、造型优美等特点，受到了桥梁设计者的青睐[1]。由于其各组成板件的连接需要大量的焊接，从而产生焊接缺陷以及残余应力，在车辆动载的反复作用下，钢桥面板易出现疲劳开裂现象，这种现象已在英国、德国、法国等钢桥面板应用较早国家的许多实桥中出现[2]。钢桥面板疲劳寿命的评估问题是桥梁工程领域的热点研究课题。对钢桥面板进行疲劳寿命评估主要有基于S - N曲线法和基于线弹性断裂力学(LEFM)法这两种方法[3]。基于S - N曲线法中未考虑桥梁结构的构件的初始裂纹，以及运营阶段在荷载作用下裂纹的扩展，这不符合实际情况，在计算过程中存在相应的误差[4]。而采用LEFM法能较好地解决这个问题，经过实测或假定构造的初始裂纹，预测裂纹的扩展速率，进而得到桥梁的疲劳寿命。本文以某城市钢桥为例，采用经调查的城市道路车辆荷载频值谱，应用LEFM法对钢桥面板进行疲劳寿命评估。该成果可为城市桥梁疲劳寿命分析提供参考。
1 疲劳裂纹扩展模型 结构疲劳破坏的过程可以分为两个阶段：第一阶段为疲劳裂纹的形成，但在实际工程中由于钢桥本身的初始缺陷及残余应力等原因，这个阶段的寿命基本上为零；第二阶段为疲劳裂纹的扩展，在进行疲劳寿命分析时主要是要确定裂纹扩展速率da/dN与相关参数之间的关系[5](a为裂纹长度；N为循环次数)。通过大量的试验表明，裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子幅度ΔK在对数坐标中的关系曲线如图1所示。 图1 疲劳裂纹扩展曲线 图1所示的关系曲线可以分为3个区域：第I区域为裂纹不扩展区域，ΔK略小于裂纹扩展门槛值ΔKth，基本上与纵坐标轴平行；第II区域为 裂纹亚临界扩展区域，疲劳裂纹稳定扩展，是疲劳裂纹寿命的重要组成部分；第III区域为裂纹失稳扩展区域，裂纹快速扩展，当Kmax达到材料 的断裂韧度KC时，构件将失稳断裂。
正交异性板钢桥面(3.14)2
正交异性板钢桥面结构应用技术工艺的探讨 The structural characteristics and manufacturing craft of steel box girder with an orthotropic steel bridge deck 叶翔叶觉明 （ Ye Xiang Ye Jue-ming ） 中铁大桥局武汉桥梁科学研究院武汉 430034 （ Bridge Science Research Institute, Major Bridge Engineering Bureau of China Railways, Wuhan 430034） 摘要： 正交异性钢桥面板是钢结构桥梁的重要结构件，正交异性钢桥面板由钢板、U肋和横隔板组成。以钢箱梁正交异性钢桥面板为例，介绍正交异性钢桥面板结构特点和组拼、 焊接和工地连接工艺特点，探讨在目前焊接和组装工艺条件下，延长正交异性钢桥面板 使用寿命的加工技术和工艺。 abstract: The orthotropic steel bridge deck is important structural of the steel structure bridge, the orthotropic steel bridge deck made is composed by the steel plate、 the U-shaped stiffener and the cross spacer . Taking the steel box girder deck plate as research object, the orthotropic steel bridge deck unique feature and craft characteristic for assembling、welding and site connection of the plate elements was deal with。 under the condition of the current welding and assembling workmanship， technology and technique to prolong the service life of orthotropic steel bridge deck was researched and discussed. 关键词： 正交异性钢桥面板板单元横隔板 U肋焊接工艺焊接残余应力 Key word: orthotropic steel bridge deck plate element cross spacer U-shaped stiffener welding technology Weld residual stress 对于大跨度悬索桥和斜拉桥，钢箱梁是非常有利的结构形式。钢箱梁以面板、底板、腹板、纵横隔板及加劲结构件为主要构成。其中面板钢板一般刚度较小，在轮载作用下易发生较大的变形，因此需要一定的钢板厚度，同时在面板上安装纵肋和垂直于纵肋的横隔板加劲，这是一种典型的正交异性桥面板。钢桥面板结构在桥梁上是不可能更换的，如果产生缺陷或裂纹扩展后修补又比较困难，需要从结构和实用焊接加工技术工艺等方面予以重视，延长桥面板的安全使用寿命。 1.正交异性桥面板结构和制造加工特点
正交异性钢桥面板疲劳性能的影响分析
广东建材2018年第11期正交异性钢桥面板疲劳性能的影响分析 刘森 （厦门市路桥管理有限公司） 【摘要】正交异性钢桥面板由于重量轻，极限承载力大，适用范围广，已广泛应用于大跨度公路桥 梁钢箱梁。作为全焊接结构，由于其复杂的几何结构，在车轮载荷下的独特力性能，焊接操作引入的残 余应力和焊接缺陷等导致正交异性钢桥面板疲劳开裂现象突出。在本文的研究中，首先分析了正交异 性钢桥面板的力学特性和疲劳影响因素，然后提出了疲劳修复方法。 【关键词】正交异性钢桥面板；疲劳性能；成因；修复 1引言 正交异性钢桥面板因其在机械性能和经济性方面的突出优势而被广泛应用于现代桥梁工程中。然而，虽然具有突出的优点，但这种结构的疲劳问题更加突出。国内外正交异性桥梁钢桥面典型疲劳案例表明：一旦正交异性钢桥面发生疲劳，就会直接影响结构的运行质量，甚至会大大降低其承载能力；疾病修复不仅昂贵且难以实现期望的修复效果。因此，研究正交异性钢桥面板的疲劳特性具有重要的理论和实际意义。 2正交异性钢桥面板的受力特点 作为主梁的组成部分，正交异性钢桥面板是纵梁的上法兰和主梁的上法兰。根据传统的三结构系统分析方法，可以概括为主梁系统、桥面系统和覆盖系统。主梁系统是指由盖板和纵向肋构成的主梁的上凸缘，纵梁是主梁的组成部分。甲板系统是指盖板作为纵肋和横肋的公共上法兰，桥面系统的三个部件支撑在主梁上以承受桥面上的载荷。盖系统仅将盖子视为支撑在纵向肋和横向肋上的各向同性连续板，直接承受车轮的局部载荷并将载荷传递给纵向肋和横向肋。 钢桥面板的应力分布具有以下特点。 ⑴在车辆活载荷的作用下，主梁系统的应力相对较小，主要反映在桥面系统和盖板系统的局部应力中。 ⑵车轮载荷的大小决定了钢桥面板的应力大小，但其车轮载荷影响线较短，冲击范围相对有限。 ⑶对于钢桥面板的某些结构细节，车辆产生的应力循环次数与应力的纵向影响线的长度和车辆的轴距有关。 ⑷盖板中的第三系统平膜具有较小的应力，主要由平面外弯曲应力反映。 ⑸在纵向肋的下边缘的平面中仅存在纵向膜应力，并且存在纵向肋腹板的平面外的弯曲应力和面内膜应力。 ⑹梁的腹板上的应力主要由平面中的薄膜应力反映，但在与纵向肋的腹板连接处的腹板处存在一定的平面外弯曲应力。且应力集中现象明显。 ⑺纵向肋穿过梁腹板的弯曲开口处的应力集中也是非常明显的。 总之，正交异性钢桥面板由于应力线短、接头细节的应力集中以及面外变形下的二次应力而易于疲劳开裂。 3正交异性钢桥面板疲劳问题的影响因素 正交异性钢桥面板具有力性能和经济性的双重优势。横向肋（隔板）板连接以形成板结构，该板结构满足纵向和横向上的不同力要求。结构体系和成形方法使正交异性钢桥面板具有突出的优点，结构复杂，焊缝多，局部轮载直接作用。桥面板以鼓形变形，并且应力集中发生在几何构造的不连续部分中，例如主构件的互连和相互约束。焊接工作中的瑕疵问题以及制造时出现的偏差问题，都会产生应力集中现象，这又会加重导致疲劳和板面的脆性。随着现代交通工具的发达，桥面和路面往往要承受非常大的压力，这种情况下，疲劳易损部位就很容易出现裂缝，进而不断扩大范围，最后导致钢桥表面部位的疲劳问题，一些常见的疲劳部位以及脆弱部位如图1所示。 日本东京两条具有代表性的高速公路约7，000个封闭纵肋正交异性钢桥面板疲劳缺陷的统计分析得到的主要疲劳裂纹类型及其组成如表1所示。 在我国，到现在为止，桥面一共出现了大约十七种疲劳裂痕，这其中比较常见的一种裂痕以及它所占的百 质量控制与检测44 --
钢桥疲劳设计方法研究
钢桥疲劳设计方法研究 陈惟珍1,D Ko steas 2 (11同济大学桥梁工程系,上海200092;21慕尼黑工业大学,德国慕尼黑80333) 摘 要:分析了引起钢桥疲劳的各种原因,并对目前国际上最新抗疲劳设计方法作了进一步讨论,对我国钢桥设计将起到一定的推动作用。 关键词:钢桥;疲劳;桥梁设计 中图分类号:U 44114 文献标识码:A 文章编号:1003-4722(2000)02-0001-03 收稿日期:2000-01-03 基金项目:德国学术交流中心资助R estsicherheit und R estlebensdauer aelterer Stah lbruecken (A 96 00240) 作者简介:陈惟珍(1962-),男,副研究员,1983年毕业于同济大学桥梁工程系,获学士学位,1986年获硕士学位,1999年毕业于德国慕尼黑工业大学,获工学博士学位,主要从事桥梁CAD 和疲劳断裂研究。 1 概 述结构抗疲劳设计的目的是保证在一定使用可靠水平下整个设计寿命内的结构承载能力,使得结构不会因疲劳而失效或修补。承受车辆荷载的桥梁可能会因疲劳而遭到破坏,因此在设计中必须对疲劳加以验算[1]。疲劳验算时要考虑下列因素: (1)精确预测整个设计寿命期间完整的荷载序列; (2)精确计算在此荷载下的结构弹性反应;(3)细节几何形状、制造方法和质量控制主要影响 疲劳强度,甚至可能控制结构设计,并极大程度地影响着建造成本。 一般认为疲劳失效通常起始于高应力区,如几何突变处、受拉残余应力区和尖锐的不连续处(按裂纹处理)。在循环应力作用下,疲劳裂纹起始于此处并逐步扩展。最终失效发生在剩余截面不能承受荷载峰的情形时。 疲劳裂纹的扩展近似沿最大主应力的垂直方向,其扩展速率呈指数增长,早期增长较慢,占疲劳寿命的大部分。由于这个原因,在结构中较早地对裂纹进行探测比较因难。 在钢桥设计时,下列可能的疲劳裂纹起始处要加以考虑:①焊缝的根部或焊趾;②倒角;③冲孔或钻孔;④剪开边或锯开边;⑤高接触压力下的表面;⑥张紧索的根部。 除上述细节设计的情况外,疲劳裂纹也可能由冶炼、制造和施工等其它原因引起:①材料不连续(如空洞、夹渣)或焊接缺陷;②由机械损伤而形成的刻痕或擦痕;③腐蚀处。 引起疲劳的可能外因有如下几个方面。 (1)荷载具有较高的动静比:比如运输工具、吊机、 桥梁等。 (2)荷载频繁作用:它导致应力循环次数增加。细长结构或构件具有较低固有频率会产生共振,因此放大动应力,比如在风荷载作用下。 (3)采用焊接:某些焊接细节的疲劳强度较低。 (4)复杂接头:复杂接头由于传力路径变化,常常 导致较高应力集中,它们对极限状态影响很小但对疲劳强度影响很大。如果疲劳控制设计,那么接头形状应该保证光滑和简洁,以便应力能够精确计算控制,制造与检测能满足规范要求实施。 (5)环境:在某些热和化学环境中,如果表面没有防护,疲劳强度要降低。2 疲劳设计方法 无限寿命设计:此方法限制应力不超过常幅疲劳极限,保证构件永远不破坏,具有无限寿命。 安全寿命设计:此方法根据疲劳曲线下限和疲劳荷载的上限来计算损伤。它提供一个较保守的疲劳寿命估计,在使用寿命期内,结构的检测一般不予考虑。 损伤容限设计:此方法通过一个接一个检测环节监视疲劳裂纹增长。一旦疲劳裂纹达到一个预设尺寸,部分构件要加以修补或更换。此方法适用于应用安全寿命方法影响经济性和细节具有较高疲劳开裂风险时。它带来比安全寿命方法较高的结构失效风险。 依据试验设计:此方法归类于从规范或其它资料中不可能得到必要的受载应力、疲劳强度或裂纹增长数据的情况。 2.1 无限寿命设计 1 钢桥疲劳设计方法研究 陈惟珍,D Ko steas
正交异性板和箱形结构运用于桥梁的历史
正交异性板和箱形结构运用于桥梁的历史（三） 发布时间：2008-04-25 作者：钱冬生 摘要：介绍了正交异性板和箱形结构运用于桥梁的历史。 4 、英国的塞文桥——它在1966 年的胜利建成，与在1991 年的整修完竣 塞文桥在1966 年的建成，是当时桥梁界的一大盛事。它总长约3km ；包括： Wye 斜拉桥（主跨234.7m ）、引桥（跨度61.7~ 64.0m 连续钢箱紧）和正桥（主跨988m 的悬索桥）。它的悬索桥第一次使用流线形的扁钢箱加劲梁，这是由风洞试验认识到它的实用价值的（阻力系数小、对风致振动的反应较优），其加劲梁钢面板厚11.50mm ，纵肋为闭口的梯形，肋厚6.4mm ，肋的高度228mm ，纵肋的中心距为610mm ，纵肋跨度（横肋中距）用到4.57m 。横肋板厚 6.4mm ，高度为3m （从桥面板到箱底板，它实际上就是横隔板）。这加劲梁又第一次使用全焊钢结构，因耽心它在振动时的阻尼系数要比铆接结构为小（注：对桥面辅装的阻尼作用当时还缺乏认识），不利于抑制振动，乃将其吊索从竖置改为呈V 字形的斜置，因为，斜置吊索当桥振动时所受的拉力有脉动，这一脉动将使其钢绞线时松时紧，由此而对振动产生阻尼。对于塔柱，它又第一次采用了矩形单箱式；而且对于柱的工地水平接头，不是用拼接板及高强栓作连接，而是靠承压传力，并用20 根φ 50mm 高强栓在竖向将上下拉紧（用以抵抗施工荷载）；这使每塔用钢量仅是1200t 。对于塔顶主鞍，又第一次采用了全焊式。[8] ：127~139 在施工方面，也是非常俭省。加劲梁的制造，是分为88 个节段，每个节段再分为若干板件；将板件在工厂预制完成后，运到一造船厂的滑道附近，在滑道上进行节段的拼装；在滑道长度方面只需其能保留三个节段，每当向上再拼装一个新节段时，就先将最下一个节段