正交异性板疲劳裂纹形成寿命研究和数值计算
铁路正交异性钢桥面板疲劳应力分析与寿命评估
Ｅ￣ｍａｉｌ:ｃａｏｘｉｎｇｅｒ＠ ｓｊｔｕ.ｅｄｕ.ｃｎ
Ｅ￣ｍａｉｌ:ｃｈｅｎｇ＿ｂｉｎ＠ ｓｊｔｕ.ｅｄｕ.ｃｎ
) ꎬ男ꎬ副教授ꎬ博士ꎮ
图 １㊀ 南京大胜关长江大桥主桥构造
２０
铁㊀ 道㊀ 建㊀ 筑
第 ５７ 卷
２ ４００ ｍｍꎻ小横梁腹板厚１８ ｍｍꎬ高 １ ３７６ ｍｍꎮ
高 ２６０ ｍｍꎬ顶部宽 ３００ ｍｍꎮ 大横梁腹板厚 １８ ｍｍꎬ高
[１０]
ꎻ 断裂力学法是基于裂纹的
高ꎬ通常采用外推法来计算其局部结构应力ꎬ如下 σ ｈｓ ＝ １������ ５σ １ － ０������ ５σ ２ (１) １������ ５ｔ 处且垂直于焊趾方向的应力ꎬｔ 为钢板厚度ꎮ
ꎮ 受切口效应的影响ꎬ 焊趾附近的应力梯度很
式中:σ ｈｓ 为热点应力ꎻ σ １ ꎬ σ ２ 分别为距离焊趾 ０������ ５ｔ 和 应ꎬ因此热点应力法只需要较少数量的甚至仅需 １ 条 Ｓ －Ｎ 曲线ꎮ ＡＡＳＨＴＯ 规定: 热点应力法主要采用名义 应力法 Ｓ －Ｎ 曲线中的 Ｃ 类曲线ꎬ某些特殊的节点部位 采用 Ａ 类曲线 [１１] ꎮ 钢桥面板的抗疲劳设计ꎬ 而 ＡＡＳＨＴＯ 规范系统地对正 交异性钢桥面板的抗疲劳设计进行了规定ꎬ 因此本文 鉴于我国铁路㊁公路桥梁规范中未涉及正交异性 由于应力集中系数考虑了整体几何形状的影响效
１㊀ 铁路正交异性钢桥面板构造
劳应力及疲劳寿命评估开展研究分析ꎮ
㊀ ㊀ 南京大胜关长江大桥的主桥是 ６ 跨连续钢桁架拱
收稿日期:２科学基金(１４ＺＲ１４２２８００) 基金项目: 十三五 国家重点研发计划 ( ２０１６ＹＦＢ１２００６０２￣２８) ꎻ 上海市 第一作者:曹星儿(１９９５ 通信作者:程斌(１９７９ ) ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎮ
正交异性钢桥面板疲劳验算
正交异性钢桥面板疲劳验算
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.
作者：童乐为沈祖炎 Tong Lewei Shen Zuyan 作者单位：同济大学刊名：土木工程学报 ISTIC EI PKU 英文刊名： CHINA CIVIL ENGINEERING JOURNAL 年，卷(期)：2000 33(3) 分类号：U44 关键词：钢桥面板结构分析焊接节点疲劳强度疲劳验算。
正交异性桥面板
讲者：xxx
组员：xxx
1
目 录
1
研究动态 正交异性钢桥面板的疲劳问题 抗疲劳优化设计探讨
2
3
4
结论
5
参考文献
2
1
研究动态
背景与动态
3
动态
研究背景
正交异性钢桥面板因具有质轻、经济性好等优点，被广泛应用于大跨度
桥梁中。但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。
不能孤立看待某一个设计参数，一定要兼顾各参数之间的匹配性，合理搭
配顶板厚度、U肋厚度、横隔板间距等。在确保结构性能的前提下，综合 考虑制造工艺和经济效益。
17
疲劳
设计变量参数分析
顶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。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工性 和耐久性，对顶板厚度作了不同规定。下表列出了Eurocode 3、AASHTO 和日本道路规范中的相关规定。
（3）III类裂缝成因分析：横隔板的开裂除了由于车辆活载的作用引 起U肋的偏转使过焊孔处横隔板受拉外，还有实桥本身的一些构造上的缺 陷。III类裂缝表现为过焊孔处横隔板母材开裂，在检查中发现许多横隔板 裂纹在打了止裂孔之后仍然继续向前发展，最终在2个U肋之间的横隔板 形成贯穿。 对于不同的疲劳细节，各构造参数对其疲劳应力幅影响的显著程度 相异。因此，对正交异性钢桥面板这类构造复杂的结构，在进行设计时，
（1）顶板与U肋连接焊缝部位
正交异性钢桥面板疲劳裂纹扩展机理及数值模拟研究
正交异性钢桥面板疲劳裂纹扩展机理及数值模拟研究朱劲松;郭耀华【摘要】In order to investigate the fatigue crack growth process of orthotropic steel bridge deck,and provide theoretical guidances for the anti-fatigue design and reinforcement,the real bridge’s finite element model based numerical simulation method and the process of fatigue crack growth of orthotropic steel bridge deck was proposed.The critical locations that are apt to suffer fatigue failure of the whole bridge were ascertained in accordance with the field survey results and the analysis of the whole structure under the dead load and the live load was carried out.Then,the refined finite element model with typical welded details of the critical locations was established to analyze the stress amplitude. According to the vehicle-bridge vibration based analysis,the influence of stress impact factor on stress amplitude was taken into account.The fatigue crack propagation direction,path,and the fatigue life were determined,and then the total process of fatigue crack propagation was analysed.Finally,the fatigue crack propagation analysis of an existing long-span cable stayed bridge with orthotropic steel bridge deck was taken as an example to indicate the feasibility and accuracy of the method and calculation process,and a theoretical basis was provided for the bridge fatigue failure repair and reinforcement in operation period.%为追踪正交异性钢桥面板的疲劳裂纹扩展过程及通用的正交异性板钢桥抗疲劳设计与开裂加固提供理论指导，提出基于实桥有限元模型进行正交异性钢桥面板疲劳裂纹扩展模拟方法及流程。
浅谈正交异性板疲劳开裂及处治建议
1、引言
随着国内大跨径桥梁建设，钢箱梁凭借其自重轻、刚度大的优点得以迅猛发展，而随着桥梁逐年运营，钢箱梁正交异性板疲劳开裂的病害在通车几年内就逐渐显现，其疲劳寿命远远低于设计使用年限，成为桥梁养护工作的重点及难点。对于如何正确处理疲劳裂缝，本文结合国内某大型悬索桥实际情况，深入分析该桥正交异性板疲劳开裂产生原因及病害发生机理，同时从养护角度提出如何采取行之有效的措施减缓病害的发展。
对于裂纹长度很长的状况，考虑到原构件刚度弱化较为明显，为避免诱发其他类型病害的发生，增加病害的处理的难度和复杂性，有必要采取一定的补强措施，可利用附加夹板进行加固，并采用高强螺栓进行栓接。
6、结论
从本文案例可看出，钢箱梁正交异性板疲劳开裂的提早出现主要是由于车流量巨大、超载现场严重所导致，在超高轴载和高频率作用下，正交异性板应力集中区域在高强度应力幅和多次循环的作用下，提早达到疲劳屈服极限而产生破坏。要解决此类病害的发生，需从以下几点着手：
2、工程概况
某桥为独塔自锚式悬索桥，主桥全长680.2m，总体布置为39.64m+5×40m+30m（混凝土加劲梁及锚跨）+350m（钢加劲梁）+30m+29.60m（混凝土锚跨），桥宽单幅主孔为26.1m（钢加劲梁），单幅副孔23.25m（混凝土加劲梁）。设计车辆荷载：汽车—超20级，挂车—120，一级公路，城市A级验算。
3、病害综述
养护巡查中发现，该桥运行8年后，U型肋与横隔板连接部位弧形切口处母材开裂，其中右幅箱梁共发现82处该类病害，左幅箱梁共发现39处该类病害，右幅病害明显多于左幅桥，并且病害呈较快的发展态势。病害U肋主要位于车道轮迹线下方，说明目前桥面系的该类病害与桥面荷载存在极强的相关性。病害主要分布在非吊点横隔板（10mm厚），非吊点处横隔板相应处病害占总体95%，吊点对应横隔板（12mm厚）相应处病害占总体的5%。横隔板裂纹大多起源于弧形切口起弯点处，裂纹长度最长为210mm，部分裂纹已裂至相邻U肋横隔板中心线。部分相邻U肋间横隔板弧形切口位置均存在开裂的现象，两条裂纹呈交叉走向。部分横隔板弧形切口裂纹上下钢板存在纵向错位现象。病害状况见照片所示。
铁路正交异性钢桥面板疲劳应力分析与寿命评估
铁路正交异性钢桥面板疲劳应力分析与寿命评估曹星儿;程斌;滕念管;曹一山【摘要】Taking Nanjing Dashengguan Yangtze River Bridge as an object, the f inite element model of railway bridge orthotropic steel deck was established.Based on the hot spot stress method, the fatigue stress of typical structural detail was calculated and analyzed,then the fatigue vulnerable zone was obtained.Considering the practical situations of bridge, the calculation and evaluation of fatigue lives of typical welded connections were further performed by using American highway bridge design code ( AASHTO) .The results show that under fatigueⅠand fatigue Ⅱ limite states, the calculated values of fatigue stress amplitudes of the f ive types of fatigue vulnerable structural details are less than the allowable values.The fatigue lives meet the design requirements.%以南京大胜关长江大桥为对象,建立铁路正交异性钢桥面板结构有限元模型,基于热点应力法对典型构造细节的疲劳应力进行计算分析,得到此类桥面结构的疲劳易损区.结合桥梁实际使用情况,基于美国公路桥梁设计规范(AASHTO规范)对桥面板典型焊接细节的疲劳寿命开展计算与评估,结果表明,疲劳Ⅰ与疲劳Ⅱ极限状态下5类疲劳易损构造细节的疲劳应力幅计算值均小于容许值,疲劳寿命满足设计要求.【期刊名称】《铁道建筑》【年(卷),期】2017(057)011【总页数】7页(P19-24,37)【关键词】铁路桥梁;正交异性钢桥面板;疲劳应力;热点应力;疲劳寿命;疲劳评估【作者】曹星儿;程斌;滕念管;曹一山【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240;中交公路规划设计院有限公司,北京 100088【正文语种】中文【中图分类】U441+.4铁路正交异性钢桥面板由盖板、纵肋、轨下T形纵梁以及横梁组成，由于其面内刚度在相互垂直的方向不相同，造成受力行为的正交异性，故称为正交异性钢桥面板(Orthotropic Steel Deck，OSD)。
正交异性钢桥面疲劳分析方法研究综述
第1期（总261期）2021年1月URBAN ROADS BRIDGES&FLOOD CONTROL科技研究D01:10.16799/ki.csdqyfh.2021.01.050正交异性钢桥面疲劳分析方法研究综述叶九发!，翁怡军!，衡俊霖"（1.中铁二院工程集团有限，成610031；2•深圳大学，广东深圳518060）摘要：正交异性钢桥面构造细节复杂且构件间大量采用焊缝连接，在反复交变车辆载荷的作用下存在突出的疲劳开裂风险，而疲劳试验通常被认为是研究正交异性钢桥面疲劳性能的最直观有效手段。
但疲劳试验周期长、成本 高，直接应用于工程实践的局限性较大。
为此，大量研究者基于数值模拟提出了名义应力、应力、局应力裂力疲劳性能。
的理应用场景各不相同，各有 用件。
关键词'正交异性钢桥面；名义应力应力法；局部应力裂力学方中图分类号：％442.5文献标志码：A文章编号：1009-7716（2021）01-0176-051概述正交异性桥面是通、3P 件焊接成的桥面，2050年代开应用，成为桥的重要⑴o焊接的应用，正交异性桥面能用相较的，局'有较高的，且桥面相，量能20%〜40%o此，正交异性钢桥面被广泛应用于各类桥，不少大桥桥的桥面。
而，正交异性桥面的：风⑴，异性能相应的是反复交变车辆荷载作用下突岀的疲劳。
正交异性桥面存在下1造较为复杂，应力2）大量采用焊接工艺，焊接残余应力大，存在潜在焊接缺陷的可能性大；（3）易疲劳细节数量大；（4）直接承受到车轮荷载的反复作用；（5）早期正交异性桥面焊接施工质量难以保证。
在些因素的共同作用下，正交异性钢桥面容易岀不同程的疲劳裂纹⑵o大量工程和科研机构X正交异性钢桥面的易疲劳造细节行了较为全面的疲劳试验。
但是，疲劳试验的周期较长、成本较高，直接应用于工程实践的局限性较大。
基于此，大量研究者基于数值模拟提岀了各式的疲劳性能。
总，可分成：（1）宏观参数，即名义应力（2）局参数，应力、局收稿日期：2020-08-18作者简介：叶九发（1979―）,男，硕士，高级工程师，主要从事桥梁设计、研究工作。
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]。
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西南交通大学
硕士研究生选题报告
姓名吴月峰学号12011142
导师姓名卜一之职称教授
专业桥梁与隧道工程
研究方向现代桥式及桥梁结构设计理论
题目正交异性板疲劳裂纹形成寿命
实验分析研究和数值计算
2013年10 月10 日
开题报告的内容应包括
（1）课题的研究意义、国内外现状分析。
（2）课题研究目标、研究内容、拟解决的关键问题。
（3）拟采取的研究方法、技术路线、试验方案及其可行性
研究。
（4）课题的创新性。
（5）计划进度、预期进展和预期成果。
注：（1）开题报告由各院（系、所、中心）组织实施，专家组成员由副高以上人员组成，邀请导师和督导组相关专家参加，导师担任组长。
（2）专家组的作用是帮助导师和研究生执行选题论证，论证意见以“通过”、
“不通过”结论。
通过者按计划开展论文工作，不通过者，在半年内需
重新开题。
局部应力应变法进行疲劳寿命的计算结果对疲劳缺口系数
而材料的。