正交异性板疲劳裂纹形成寿命研究和数值计算

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。

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)。

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]。

正交异性钢桥面板疲劳性能与疲劳裂缝修复方法研究正交异性钢桥面板具有承载力高、自重轻、便于施工等优点,解决了桥梁结构自重、承重和跨径之间的矛盾,被广泛应用于大跨度桥梁中。

随着我国经济的发展,公路交通量的增加,桥梁承受的车辆作用次数越来越多,荷载也越来越大,正交异性钢桥面板桥梁出现疲劳开裂的现象频繁出现,不仅降低了桥面板的承载力,也缩短了桥梁的使用寿命,成为大跨度桥梁典型的问题。

U肋-顶板焊缝裂缝是正交异性钢桥面板常见的一种疲劳裂缝,目前对于这种疲劳裂缝的研究,多集中于单个小尺寸试件,但实际上桥面板疲劳开裂后应力发生重分布,开裂后小尺寸试件的疲劳性不能反映实际结构中桥面板U肋-顶板焊接处的疲劳性能。

另外,实际使用中出现疲劳裂缝的桥面板需要进行修复,目前的疲劳裂缝修复方法比较单一,缺乏多种方法组合进行修复的研究。

因此,深入开展正交异性钢桥面板疲劳性能及疲劳裂缝修复方法的研究具有重要意义。

本文结合国家基础性项目(973项目)“特大跨桥梁安全性设计与评定的基础理论研究”的子课题“多因素作用下特大跨桥梁性能演化特征”(2015CB057703),开展了多尺寸(长度)正交异性钢桥面板疲劳性能与疲劳裂缝修复方法的研究。

本文主要研究内容和结论如下:(1)参照某桥桥面板尺寸制作了5组32个不同长度的疲劳试验试件,对试件进行有限元分析明确了荷载下试件的应力分布,确定了应变监测位置,制定了疲劳试验方案。

(2)对桥面板试件进行了疲劳试验,研究了试件疲劳裂缝扩展、刚度退化、疲劳寿命和断口形貌。

研究表明,试件疲劳裂缝的产生和扩展分4个阶段,即裂缝萌生、裂缝宏观扩展、裂缝贯穿板厚和疲劳断裂;随着疲劳加载次数的增加,试件刚度逐渐降低,当试件刚度退化率达0.1时,试件剩余寿命约为总疲劳寿命的20%;将疲劳试验结果与规范的S-N曲线比较,证明规范抗疲劳设计公式是保守的;根据试件长度建立了L-S-N曲线;试件疲劳断口均为平断口,分为疲劳源区、疲劳裂缝稳定扩展区和瞬时断裂区,开裂位置的应力幅越小则循环次数越多且瞬断区面积越小。