正交异性桥面板设计参数和构造细节的疲劳研究进展_赵欣欣

新型正交异性桥面板疲劳性能分析

第１２卷　２０１３正　第６期　１２月　广州大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｖｏｌ＿１２　Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．　２０ｌ３　

文章编号：１６７１—４２２９（２０１３）０６－００３０—０６　

新型正交异性桥面板疲劳性能分析　

陶永亮　，张俊平　，黄海云　

（１．广州大学土木工程学院，广东广州５１０００６；２．广东省交通职业技术学院，广东广州５１０１７０）　

摘要：为了减少传统正交异性板的疲劳损伤以及提高其抗疲劳特性，邓文中院士提出了一种新型的正交异　

性板截面型式．文章主要以这种新型的桥面板为研究对象，通过有限元软件分析计算，可知其疲劳性能优于传　

统正交异性板．　关键词：新型正交异性桥面板；标准疲劳车；有限元分析；疲劳性能　

中图分类号：Ｕ　４４１　文献标志码：Ａ　

正交异性桥面板因自重轻，承载能力大，施工　

周期短等优点，在大、中跨径桥梁中得到广泛的应　

用．然而，由于桥面板直接承受车轮荷载的反复作　

用，并且应力影响线较短，一辆车经过时会引起数　

次的应力循环，加之焊接处的应力集中及残余的　

焊接缺陷，正交异性板在使用过程中易发生疲劳　

开裂．近年来，由于我国公路运营车辆荷载增长较　

快，加上超载问题屡禁不止，钢桥正交异性板的疲　

劳开裂已经成为桥梁界一个比较棘手问题，一些　

大型重要桥梁因此而不得不采取限载或分流措　

施，成为学术界关注的焦点之一．　

为改善正交异性板的受力及疲劳性能，邓文　

中院士提出了一个新的构思¨　，在传统正交异性　

板的基础上加厚桥面板、加大纵肋尺寸，同时增大　

纵肋和横梁，并采用热轧的方法制造纵肋．该新型　

的正交异性桥面板的主要截面尺寸：桥面板厚１８　

ｍｍ，采用３８０　ｍｍ高的变厚度圆弧形纵肋，肋间距　

８００　ｍｍ，横隔板厚度为１２　ｍｍ，横隔板间距为８　１ＴＩ，　

传统与新型正交异性板截面具体尺寸见图１～２．　

开口肋正交异性钢桥面疲劳设计参数研究

叶华文;徐勋;强士中;侯苏伟

【期刊名称】《西南交通大学学报》

【年(卷),期】2012(047)003

【摘要】为评估重庆两江大桥单索面斜拉桥正交异性钢桥面板疲劳设计参数的合理性,对由盖板、板肋和横隔板组成的箱形正交异性钢桥面板模型进行了疲劳试验和有限元分析.基于应力等效方法,对桥面板、横隔板与纵肋三向交叉部位,进行了竖向和横向双向加载试验、等效实桥疲劳应力幅值2 000万次作用疲劳试验,在此基础上,分析了3种开孔方式、构造细节、横隔板厚度及铺装层厚度等因素对疲劳性能的影响.研究结果表明:横隔板厚度和铺装层厚度对疲劳性能的影响很大；与钥匙形和圆形相比,苹果形开孔结构的主拉应力最小,为13.7 MPa,疲劳性能最优.建议开口肋正交异性板构造横隔板厚度大于16 mm,并采用苹果形开孔方式.

【总页数】8页(P379-386)

【作者】叶华文;徐勋;强士中;侯苏伟

【作者单位】西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都610031

【正文语种】中文

【中图分类】TU338;U443.31

【相关文献】 1.新型镦边U肋正交异性钢桥面板疲劳设计参数研究 [J], 黄懋科;罗雪峰

2.正交异性钢桥面板开口肋空孔形式疲劳优化分析 [J], 陶晓燕

3.新型半开口纵肋正交异性钢桥面板疲劳性能试验研究 [J], 王仁贵;欧阳;徐秀丽;肖汝诚

4.基于3D-DIC的正交异性钢桥面板横隔板开口处疲劳性能试验研究 [J], 李枝军;

王浩; 王仁贵; 徐秀丽; 李雪红

5.开口加劲肋正交异性钢桥面铺装力学行为特性研究 [J], 姚波;张磊;程刚

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钢桥梁制造有关问题之八

再论正交异性钢桥面板疲劳控制技术----

正交异性钢桥面板疲劳细节优化方案探讨

张剑峰李军平车平

前言

正交异性钢桥面板广泛应用于大跨度桥梁中，该类结构在运营过程中出现了大量疲劳裂纹，引起了大家的广泛关注。近二十年来，国内的多家机构对正交异性钢桥面板的疲劳问题进行了大量研究，力求解决这一难题，并取得了一定的成果。目前,针对该结构细节提出了多项创新优化方案，其中部分方案已应用于新建项目。本文就各优化方案再次进行探讨。

1、正交异性钢桥面板疲劳裂纹成因

正交异性钢桥面板的疲劳是一个系统问题，外因是反复作用的汽车荷载，内因就是构造细节(包括制造因素的影响)，外因和内因的共同作用从而萌生裂纹。针对正交异性钢桥面板的疲劳裂纹，国内外多个机构进行了大量的试验研究，研究结果表明，此结构的疲劳裂纹可分为由荷载引起的开裂和面外变形引起的开裂，前者也称为主应力引起的开裂，后者也称为次应力引起的开裂。[1]

1.1 主应力引起的疲劳裂纹

正交异性钢桥面板由主应力引起疲劳裂纹的部位不多，主要是U肋嵌补段对接焊部位，因现场仰焊难以保证焊缝质量,且背面贴钢衬垫的结构细节导致其疲劳等级较低，在车辆荷载作用下，该对接焊缝很容易萌生疲劳裂纹。根据研究成果，目前已将该部位的连接方式由焊接改成高强度螺栓连接，实桥应用情况良好，其疲劳问题已基本得到解决，在此不予讨论。

1.2 面外变形引起的疲劳裂纹

正交异性钢桥面板疲劳裂纹主要集中在U肋与横隔板交叉部位下端(即横隔板弧形缺口)，以及U肋与面板的焊缝部位。统计数据表明，以上两类疲劳开裂分别约占疲劳裂纹总数的38.2%和18.9%[2]。究其根源，此两类裂纹均属于面外变形引起的疲劳开裂。

1.2.1 U肋与面板焊缝的裂纹

正交异性钢桥面板直接承受轮载反复作用，面板产生如图1所示的结构变形，纵肋与面板连接处承受相互平衡的三个弯矩的共同作用，焊缝两侧力矩交替变化，于是，在焊根和焊趾处产生弯曲次应力，疲劳裂纹便从焊趾和焊根处萌生扩展。在轮载的反复作用下，焊根处的钢板反复进行面外变形，即不停地开合，由于焊根处为一个天然缺口，应力集中较为明显，从而，大幅降低了疲劳强度。其中，焊趾处可通过控制焊接参数、消除咬边等危害性缺陷来解决。在内焊设备未开发出来之前，焊缝内部无法焊接，焊根处通常要求增加焊缝厚度以减小其应力峰值，故相关规范均要求焊缝的熔透率不低于75%，且焊缝的有效厚度大于U肋板厚。试验研究表明，只要达到此要求，疲劳性能基本能满足要求，但在生产中往往很难做到100%达到。

正交异性桥面板

第 4 章虎门大桥正交异性钢桥面板疲劳问题研究 ....................................................................... 2 4.1 绪论 ....................................................................................................................................... 2

4.1.1 正交异性钢桥面板的发展概况 .................................................................................... 2

4.1.2 正交异性钢桥面板的疲劳细节 .................................................................................... 9 4.2 虎门大桥疲劳裂纹现状及成因 ...............................................................................................18

4.2.1 虎门大桥疲劳裂纹现状 ............................................................................................ 18

4.2.2 虎门大桥疲劳裂纹的成因分析 .................................................................................. 22 4.3 正交异性钢桥面板局部应力分析 ............................................................................................28 4.3.1 有限元分析模型 ....................................................................................................... 28

正交异性钢桥面板疲劳细节优化方案探讨

张剑峰;李军平;车平

【摘要】正交异性钢桥面板是大中跨径现代钢桥常用的桥面结构形式,其疲劳问题突出,一直是桥梁建设领域的热点,国内外学者对此进行研究并取得了一系列成果,提出了多项创新优化方案.详细阐述正交异性钢桥面板疲劳裂纹的成因,认为面板局部刚度不足和较大面外变形是引起疲劳的主要原因.针对目前行业重点关注的桥面板与U形纵肋焊缝提出的镦边U肋、U肋内焊、U肋熔透焊、提高面板刚度四种优化方案分别进行探讨,并对正交异性钢桥面板疲劳研究提出建议.%Orthotropic

steel bridge deck is a common structure in large and medium span steel

bridges.Its fatigue problem is outstanding and has been a hot topic in the

field of bridge construction.The domestic and foreign scholars in this field

have achieved a series of research results,and put forward many innovative

optimization schemes.In this paper,the cause of fatigue crack is explained

in detail,it is considered that the main cause is the large surface

deformation caused by the insufficient local stiffness of the panel.The four

optimization schemes,such as the upside U rib,the U rib internal

UHPC铺装正交异性钢桥面板纵肋

UHPC铺装正交异性钢桥面板纵肋−面板焊缝构造细节的疲劳研究

祝志文;文鹏翔;李健朋;李积泉;麦鹏

【摘要】为研究UHPC组合桥面铺装下纵肋-面板构造细节的疲劳性能,开展随机车流作用下的佛陈扩建西桥疲劳试验.研究结果表明:纵肋?面板构造细节面板侧应力幅显著小于纵肋侧,说明UHPC桥面铺装显著增大了桥面刚度,减小了面板的局部应力响应,并显著减少了通行货车对面板的疲劳加载次数.纵肋?面板构造细节能清晰地分辨每个单轴,也即货车每个轴均能产生一个应力幅.在当前随机车流作用下,纵肋?面板构造细节的最大应力幅都小于其常幅疲劳极限,可知佛陈扩建西桥纵肋?面板构造细节具有无限疲劳寿命.%In order to study the fatigue performance of rib-to-deck welding detail at orthotropic steel bridge deck with UHPC

composite overlay, field tests were carried out on the Fochen West

Extension Bridge under random traffic flow. The research found that the

stress level at deck side is clearly lower than the rib side at rib-to-deck

detail, which indicates that the UHPC composite structure significantly

increases the stiffness of the deck plate system, and hence not only

reduces the stress level, but also decreases the fatigue loading cycles at

正交异性钢桥面板常用截面形式疲劳应力分析

正交异性钢桥面在各种车辆荷载反复作用下引起的累积损伤以及直接受车辆的局部作用，因其应力影响线短，车辆驶过会引起数次应力循环，加上焊接节点的应力集中和难免的焊接缺陷，钢桥面板易于疲劳开裂。下面采取正交异性钢桥面板中闭口纵肋常用的u形截面形式，建立正交异性钢桥面板局部有限元模型，计算分析车辆荷载作用下对钢桥面板出现的疲劳位置做应力分析对比。

1、建立有限模型

某桥局部有限元模型采取横桥向2片纵梁纵向桥10片横梁，纵、横梁间距分别为10.8m、4m，纵肋相邻间距为0.6m，桥面总宽度为19.5m。纵粱、横梁、纵肋采用shell63单元，桥面铺装采用solid45单元。模型的边界条件如下图：

2、钢桥面板出现疲劳裂缝的主要位置

(1)钢桥面板和u肋腹板的焊缝处：

(2)钢桥面板纵向加劲肋的对接处；

(3)钢桥面板U肋与箱梁腹板相交处(即纵向加劲在横隔板的开口处)；

(4)钢桥面板纵向加劲肋的腹板焊接处。

选取对以上四项关键部位进行疲劳应力分析。

3、施加移动荷载

全桥为双向四车道车辆荷载，按照《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60—2004)取用标准车辆荷载及进行横桥向车辆布置对于每个车轮轴重，按照其着地面积，以面荷载的形式布置到模型上(车轮的着地面积所对应的单元区域，进行荷载换算)。车辆荷载的纵向布置要根据所关注的最不利工况，现只是对纵梁最大正应力荷载布置如下图所示(图中尺寸单位为m，荷载单位为KN)：

4、模型疲劳应力分析结果

模型荷载有三种工况：1.结构自重荷载、2.车辆荷载、3.自重荷载加车辆荷载经分析取荷载工况3符合实际工程。结果如下图示：

根据上述应力图可知，在车辆荷载作用下纵梁下翼缘最大应力达到272MPa，纵梁腹板264MPa，横梁最大应力为182MPa，U形肋最大应力为64.9MPa。根据Miner线性累积损伤理论的破坏准则，当细节损伤度为l时，疲劳细节损坏。通过上述应力图计算出各出现疲劳破坏细节处的疲劳损伤度都<1，在50年以内不会出现疲劳破坏能达到使用要求。 5、结论

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。

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

第３　４卷，第２期　２　０　１　３年３月　中　国　铁　道　科　学　ＣＨＩＮＡ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＣＩＥＮＣＥ　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．２　Ｍａｒｃｈ，２０１３　

文章编号：１００１—４６３２【２０１３）０２－００４１—０５　

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　

赵欣欣，刘晓光，潘永杰，张玉玲　

（中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京１０００８１）　

摘要：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１２　ｎｌｌＴｌ厚的面板搭配８　ｎ吼厚的纵肋腹板时，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１４　ｒ啪增至１６　ｒｍ时，试件的疲劳性能有所提　高；当面板厚度从１６　ｍｒｎ增至１８　ｌ＇ｎｌＴｌ、纵肋腹板厚度从８　ｌｎｌ＇ｎ增至９　ＩｎｌＴｌ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２Ｘ　１０　时，　其应力幅为７１．９　ＭＰａ。　

关键词：正交异性钢桥面板；纵肋腹板；面板；连接构造；疲劳性能；Ｓ—Ｎ曲线　中图分类号：Ｕ４４８．３６：Ｕ４４１．４　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—４６３２．２０１３．０２．０８　

正交异性钢桥面板承受荷载作用时，其纵肋腹　板与面板的连接构造（简称为连接构造）会发生较　

大的面外变形。该变形在连接构造处产生３个互相　平衡的弯矩。当纵肋腹板的内侧弯矩大于外侧弯矩　时，疲劳裂纹将在连接纵肋腹板与面板的焊缝焊趾　

处萌生，反之疲劳裂纹将在焊根处萌生，如图１所　示［１］。疲劳裂纹一旦萌生，既可能沿焊缝纵向扩　

铁路钢箱梁正交异性桥面加劲肋疲劳性能研究

正交异性钢桥面板在国内外广泛应用,并已有许多与疲劳性能相关的研究与试验工作,但研究主要集中于公路车辆荷载下的疲劳性能[1-4],而针对铁路荷载下正交异性钢桥面板疲劳特性的研究较少[5]。京沪高速铁路南京大胜关长江大桥[6]和京沪高速铁路济南黄河大桥虽然采用了正交异性钢桥面板,但属于板桁组合桥面体系,以第二体系、第三体系受力为主。宁波甬江桥特大桥是铁路大跨度钢箱混合梁斜拉桥,固定的铁路行车轨道、更重的轮轴荷载使得正交异性钢桥面的疲劳荷载作用与公路桥、板桁结合桥面和K 撑组合桥面都不同。在针对大跨度铁路钢箱梁正交异性钢桥面研究极少的背景下,疲劳开裂问题应当引起高度重视,通过理论研究与模型试验相结合,研究大跨度铁路钢箱梁正交异性钢桥面板在列车荷载作用下的疲劳性能是具有重要的科学理论意义和工程现实意义。

根据前文AHP层次分析法得出的因子权重，按照如下公式，进行叠加计算，形成初步的广州市绿色建筑空间分布潜力图（图4）：

目前,已有许多关于正交异性桥面板结构的疲劳研究,Xiao等[7]对加劲肋与顶板焊接点进行应力分析发现,增大荷载横向分布面积或增大板厚都可以减小疲劳应力;Aygül[8]采用先进的缺口应力法计算分析正交异性板结构各疲劳细节处疲劳应力,结果较好;陶晓燕[9]认为开口肋横隔板开孔形式对整体应力影响不大,但对局部应力影响显著;苏庆田等[10]利用混合有限元方法对带纵肋钢箱构件进行了局部受力分析;陈红等[11]对大跨度扁平钢箱梁斜拉桥多种形式的横隔板局部应力进行了分析。正交异性钢箱梁是典型的薄壁杆件结构,即杆件在一个方向上的尺寸远小于另外两个方向的尺寸[12]。薄壁杆件分析理论主要有弹性分析理论[13]、能量变分理论[14]、数值分析理论[15]三类方法,其中薄壁杆件弹性分析理论中最经典的理论是弗拉索夫理论,其主要思想是把复杂板壳简化为杆件进行求解,此理论在分析过程中忽略了剪切变形的影响[13]。目前,弗拉索夫理论已被广大学者认可并成为薄壁杆件研究的基础理论之一,之后许多学者在此理论基础上进行补充、扩展,使弹性分析理论更精确、更合理以及应用范围更广泛。正交异性桥面板结构疲劳应力分析是进行疲劳寿命评估的前提,因此准确评估正交异性桥面板局部疲劳应力十分重要。由于模型试验费时费力,目前大部分试验研究都仅针对单一纵肋形式下结构的疲劳特性,不同纵肋形式下的对比研究较少,而在正交异性钢桥面板疲劳开裂问题中,加劲肋是关键构造之一,因此本文将对铁路荷载作用下钢箱梁正交异性桥面板不同纵肋形式下的疲劳特性进行对比研究,研究其疲劳破坏规律和机理。