正交異性橋面板

1、1正交異性鋼橋面板疲勞裂紋分析以 及抗疲勞優(yōu)化設計研究講者：xxx組員：xxx2目 錄研究動態(tài)1正交異性鋼橋面板的疲勞問題2抗疲勞優(yōu)化設計探討3結論4參考文獻53研究動態(tài)研究動態(tài)1背景與動態(tài)4動態(tài)研究背景正交異性鋼橋面板因具有質輕、經濟性好等優(yōu)點，被廣泛應用于大跨度橋梁中。但疲勞裂紋嚴重影響了橋梁的使用壽命，因此，對正交異性橋面板疲勞問題的研究是目前橋梁建設中的關鍵和熱點，各國學者在此領域取得了一系列研究成果。5動態(tài)研究背景l(fā) 國內在20世紀80年代初，鐵道科學研究院等相關單位以西江大橋為研究背景，對公路正交異性鋼橋面板參與主桁共同工作時的結構特性進行了較為全面的分析及試驗研究。l 1995年

2、，同濟大學童樂為 在博士論文中對采用開口肋形式的鋼橋面板的疲勞性能進行了較為系統(tǒng)的分析。 而現在對其構造進行抗疲勞優(yōu)化設計，已經成為鋼橋疲勞研究的最為重要的課題。l 錢冬生教授 對英國severn bridge的疲勞裂紋產生原因及疲勞壽命計算進行了介紹，并就鋼箱梁的制造和安裝提出建議。l 丁文俊 分別對橫隔板構造形式和橫隔板間距進行了研究，探討其對鋼橋面板疲勞應力幅的影響。l 王春生 通過有限元參數分析，討論了橫隔板挖空形式和幾何尺寸對挖孔處應力分布的影響。6動態(tài)研究背景雖然眾多學者通過大量研究解決了許多的問題，但其疲勞性能研究仍面臨如下困難和挑戰(zhàn)：結構各疲勞易損部位的受力特性、疲勞特性及疲勞

3、易損性均存在顯著差異。各疲勞易損部位的受力和疲勞特性耦合影響并共同決定了正交異性鋼橋面板的疲勞性能。7疲勞問題疲勞問題2原理與性能8疲勞主要疲勞部位根據國內外正交異性鋼橋面板橋梁疲勞開裂調研發(fā)現 ，下述部位的疲勞病害占總病害的90以上，是正交異性鋼橋面板的主要疲勞易損部位：（1）頂板與U肋連接焊縫部位（2）橫隔板與U肋連接焊縫部位（3）U 肋過橫隔板處的開槽部位（4）U肋縱向對接連接部位。以上述疲勞易損部位作為研究對象，通過模型試驗、數值計算及理論分析相結合的方法對正交異性鋼橋面板的疲勞特性進行研究，從構造上分析其疲勞損傷原因，進而對其進行構造參數的抗疲勞優(yōu)化設計。9疲勞損傷原因由于正交異性鋼

4、橋面板構造復雜，橫向剛度較弱，致使其產生疲勞裂紋的因素較多。根據荷載作用引起板件應力原因不同，可以將鋼橋面板疲勞裂紋分為兩類：由荷載引起的開裂（由主應力引起的開裂）由面外變形引起的開裂（由次應力引起的開裂）10疲勞損傷原因近10年新建正交異性橋面板鋼橋的頂板和橫隔板厚度均較舊橋有明顯提高。原因是頂板直接承受車輪作用，厚度增加能明顯減少各構造細節(jié)處應力幅；橫隔板厚度和間距對提高結構整體剛度、減少面外變形有重要影響。而結構的疲勞是應力幅和面外變形共同作用的結果，通過提高相應的設計參數，可以減小主應力及面外變形 ，進而起到改善結構疲勞性能的作用。對U肋、橫隔板等共同作用的復雜結構，其疲勞性能由其構造

5、參數共同決定，構造參數能否合理匹配將直接影響其疲勞性能。因此，考察各個構造參數與關鍵疲勞易損細節(jié)的相關性，并從構造參數合理匹配這一角度對正交異性鋼橋面板進行抗疲勞優(yōu)化設計，是十分必要的。11疲勞疲勞細節(jié)與設計變量分析學者通過大量的研究和觀察發(fā)現，一般考慮以下疲勞細節(jié)：細節(jié)U肋與頂板焊縫U肋與橫隔板豎向焊縫端部橫隔板開槽部位12疲勞疲勞細節(jié)與設計變量分析以頂板厚度、U肋厚度、橫隔板厚度和橫隔板間距等4個主要參數為設計變量，以上述3個疲勞細節(jié)作為研究對象，對比分析主要構造參數變化對疲勞應力幅的影響。基本規(guī)律為：在一定范圍內，各板件越厚，應力幅越??；橫隔板間距越大，應力幅越大。適當提高頂板厚度、橫隔

6、板厚度，并縮小橫隔板間距，可以使疲勞易損細節(jié)的應力幅減小。13疲勞疲勞細節(jié)分析(1) 正交異性鋼橋面板直接承受輪載作用時，U 肋與頂板之間會發(fā)生較大的面外變形。由于U肋與頂板的板厚相對較小，面外變形在U 肋與頂板的連接焊縫處會引起較高的局部彎曲應力。焊縫頻繁承受較大的彎曲拉應力，就會產生疲勞裂紋.學者認為U肋與頂板連接處的疲勞壽命與角焊縫未熔透區(qū)域的大小密切相關，如果未熔透區(qū)域較大，則不論面板多厚，都會產生疲勞裂紋。14疲勞疲勞細節(jié)分析世界各國對縱肋與橋面板的焊接細節(jié)均作了相應規(guī)定。以Eurocode 3 為例， 其規(guī)定除人行道部分U肋與頂板可采用下圖所示的角焊縫a連接外，車行道處均需采用熔透

7、的坡口角焊縫b，具體構造要求如下所示。15疲勞疲勞細節(jié)分析（2） II類疲勞裂紋主要是由于正交異性橋面板在輪載作用下，一方面U肋產生變形和下撓，既在U肋與橫隔板的連接角焊縫處產生應力，又在橫隔板處產生彎曲應力；另一方面橫隔板可能在弧形開口邊緣和縱肋變形處產生應力集中。經過學者研究表明，疲勞裂紋起源于縱肋與橫梁連接接頭的焊趾處和縱肋與面板連接處，并且建議采用止裂孔的方法阻止接頭處的疲勞裂紋擴展。16疲勞疲勞細節(jié)分析為避免該處疲勞裂紋的萌生，各國在試驗研究的基礎上規(guī)定了橫肋腹板弧形缺口的構造細節(jié) 。Eurocode 3中給出了如下圖所示的弧形缺口詳細構造細節(jié)，并且規(guī)定在缺口與縱肋的連接焊縫端頭處要

8、圍焊，并打磨圓潤。圖中弧形缺口尺寸25mmtwb,tw為橫隔板板厚。17疲勞疲勞細節(jié)（3）III類裂縫成因分析：橫隔板的開裂除了由于車輛活載的作用引起U肋的偏轉使過焊孔處橫隔板受拉外，還有實橋本身的一些構造上的缺陷。III類裂縫表現為過焊孔處橫隔板母材開裂，在檢查中發(fā)現許多橫隔板裂紋在打了止裂孔之后仍然繼續(xù)向前發(fā)展，最終在2個U肋之間的橫隔板形成貫穿。 對于不同的疲勞細節(jié)，各構造參數對其疲勞應力幅影響的顯著程度相異。因此，對正交異性鋼橋面板這類構造復雜的結構，在進行設計時，不能孤立看待某一個設計參數，一定要兼顧各參數之間的匹配性，合理搭配頂板厚度、U肋厚度、橫隔板間距等。在確保結構性能的前提下

9、，綜合考慮制造工藝和經濟效益。18疲勞設計變量參數分析頂板的最小厚度一般取決于其在輪載作用下的允許變形，為保證橋面鋪裝層不產生裂紋，縱肋之間面板的豎向撓曲變形不大于0.4mm。同時各國規(guī)范根據各自的車輛荷載及橋面鋪裝層情況，為保證鋼橋面板的施工性和耐久性，對頂板厚度作了不同規(guī)定。下表列出了Eurocode 3、AASHTO 和日本道路規(guī)范中的相關規(guī)定。19疲勞設計變量參數分析 （2）U型肋具有焊接工作量小，抗彎抗扭剛度大，壓屈強度較高等優(yōu)點。截面尺寸的確定主要考慮抗扭和抗彎兩方面的因素。具體規(guī)范如下：對于屈服強度s345Mpa 的鋼材，U型肋通常采用冷彎成型。為避免冷彎塑性變形對韌性的過大影響

10、，歐洲及美國規(guī)范規(guī)定U型肋內側半徑R 4t（t為縱肋厚度），日本規(guī)范規(guī)定U型肋內側半徑R 5t。對于屈服強度s 420Mpa 的鋼材，采用熱彎成型，以避免冷彎裂紋。20疲勞設計變量參數分析（3）橫隔板參數不是孤立確定的，需要綜合考慮縱肋截面尺寸和頂板厚度等。Eurocode 3規(guī)定，橫隔板間距一般取2.5-3.5m，其厚度不小于10mm。有學者通過有限元分析表明，這樣做不僅會降低面內應力，而且不會顯著增大因橫隔板扭轉而產生的面外應力。21抗疲勞優(yōu)化抗疲勞優(yōu)化設計設計3探討22優(yōu)化設計對于不同的疲勞細節(jié)，各構造參數對其疲勞應力幅影響的顯著程度相異。因此，對正交異性鋼橋面板這類構造復雜的結構，不能

11、只考慮單參數的影響，多個構造參數耦合作用效應亦需考慮，最終找出對各易損部位抗疲勞性能都相對較優(yōu)的參數匹配方案，以滿足設計要求。 23諸位學者不僅僅從構造參數合理匹配這一角度來改善正交異性板的抗疲勞性能。近年來，國外學者提出幾種改善正交異性鋼橋面板抗疲勞性能的優(yōu)化措施：（1）美國規(guī)范AASHTO提出在U 肋和橫隔板相交處的縱肋內部設置小橫肋，以改善此處肋壁的剛度（2）Mizuguchi、Kazuyuki等和Roman Wolchuk提出新型大縱肋正交異性鋼橋面板構造，通過增大U 肋的尺寸和橫向間距，進而減少焊縫數量，希望對正交異性板的抗疲勞性能有所改善（3）鄧文中 建議減小結構的跨厚比（縱肋的跨

12、度與頂板厚度的比值），即適當增加頂板的厚度。優(yōu)化設計24結論結論425結論(1) 通過對鋼箱梁疲勞裂紋研究發(fā)現，類裂紋在各類裂紋數量中占據比重最大，數量多，分布范圍廣但長度較?。籌、裂紋發(fā)展速度較快，在今后同類結構設計、施工及檢測中應特別重視這兩類裂紋的觀察，及時采取措施。(2) 雖然整體上板厚的增加能有效地提高抗疲勞性能，但隨著板件厚度的增加，焊接質量難以保證，造成疲勞細節(jié)等級降低，故板厚的增加是有限度的。因此，抗疲勞設計不僅僅要從構造參數和剛度匹配的角度考慮，在肋內部設置小橫肋和新型大縱肋構造設計，改進結構構造和減少焊縫數量以提高正交異性鋼橋面板抗疲勞性能將是下一步研究的重點。26結論(3

13、) 超重車、交通量、橋面板焊接質量和構造細節(jié)是影響橋面板疲勞壽命的關鍵因素，在橋梁的設計及養(yǎng)護工作中時應從各自方面尋找主要矛盾，采取必要的措施提高或延長橋面板的疲勞壽命。(4) 我國公路橋梁建設迫切需要一套完善的正交異性鋼橋面板設計規(guī)范/規(guī)程，以吸收多年來的研究成果和工程實踐經驗。27參考文獻1 童樂為.正交異性橋面板的疲勞研究D. 同濟大學結構工程學院，1995.2 錢冬生.關于正交異性鋼橋面板的疲勞J橋梁建設，1996.3 丁文俊，吳沖，趙秋.橫隔板間距對鋼橋面板疲勞應力幅的影響J公路交 通科技，2011.4 王春生，付炳寧，等.正交異性鋼橋面板橫隔板挖孔型式J長安大學學報， 2012.5 孟凡超，卜一之，等.正交異性鋼橋面板的抗疲勞優(yōu)化設計研究公路，2014.6 王春生，成鋒.鋼橋腹板間隙面外變形疲勞應力分析J建筑科學與工程學 報，2010.7 Eurocode 3.Design of Steel Str