制作误差对纵肋与横隔板焊接细节疲劳抗力的劣化效应
宽幅钢箱梁横隔板与U肋过焊孔构造研究
Bridge Construction, Vol. 47, No. 3 , 2017 (Totally No. 244)
65
文章编号：1003 —4722(2017)03 —0065 —06
U 宽 幅
Key words：steel box girder；diaphragm；U rib; cutout；fatigue performance；finite element
method；parametrized analysis
1 引言 U 形纵 肋 与 横 肋 （箱 梁 中 为 横 隔 板 ）组成的正
付 坤 ，冯 鹏 程 ，陈毅明 ( 中交第二公路勘 察 设 计 研 究 院 有 限 公 司 ，湖 北 武 汉 430056)
摘 要 ：宽 幅 钢 箱 梁 横 向 受 力 较 大 的 特 征 使 得 横 隔 板 与 U 肋 过 焊 孔 周 边 细 节 构 造 容 易 出 现 疲 劳 破 坏 。为 提 高 该 细 节 构 造 的 疲 劳 性 能 ，以 沌 口 长 江 公 路 大 桥 为 背 景 ，针 对 横 隔 板 U 肋过焊孔 的 常 用 形 式 ，采 用 A N SYS软 件 建 立 钢 箱 梁 节 段 的 有 限 元 模 型 ，通过仿 真分析 比较 不同 形 式过 焊孔
Abstract：The structural details around the cutouts at the joints of the diaphragms and U rib
of wide steel box girder are liable to the fatigue failure owing to the characteristic that the trans verse load bearing of the girder is great. To improve the fatigue performance of the structural de tails, the Zhuankou Changjiang River Highway Bridge was selected as an example and in the light of the common type of the cutouts, the software ANSYS was used to create the finite element model for the segment of the steel box girder and the structural strength and fatigue performance of the cutouts of the different types were compared based on the simulation analysis. Further with reference to the local load bearing mechanism and the parameterized analysis, the optimization measures of improving the cutout types and thickening the tooth plates at the tops of the dia phragms were proposed and the effect of the improvement was accordingly checked up, using the damage degree principle. The results indicate that the proposed improvement of the cutout types significantly improves the fatigue performance of the structural details and the thickening of the tooth plates at the tops of the diaphragms significantly reduces the fatigue stress ranges and im proves the fatigue lives of the cutouts.
正交异性板U肋与桥面板焊缝连接的静力及疲劳试验研究
收稿 日期 ：０ １ ３— ９ ２ １ —０ ０ 基 金 项 目 ： 道 部科 技 研 究 开 发 计 划 项 目（０ ９ ０ ３一Ｃ ２ １ Ｇ ０ 铁 ２０ Ｇ ０ ；００ ０ ４一Ｊ ） 作者简介 ： ｆ 洋 （ ９５一） 男 ， 北 石 家 庄 人 ， 硼 １８ ， 河 硕上 ， 事 桥 梁 结 构设 计 工 作 从
处 面板 的纵 向裂 缝 、 ｕ肋 下 缘 对接 焊 缝 裂 缝 、 ｕ肋
和横 隔板 焊接处 焊缝裂 缝 、 下端 过焊孔 处 横隔 Ｕ肋 板裂缝 。本 试验 主要研 究 Ｕ肋 和 面板连 接 细 节 的
疲 劳性能 。
对正交异 性桥 面板进 行 了大量 的试 验研 究
， 但
我 国这 方面 的试 验研 究虽 已有报 道 。 ， 多都是 大
ｎａｙ ｉ ．ｔ ｅ Ｓ—Ｎ ｃ ｒ ｅ ｎ ａｉ ｕ ｌ ｓ ｉ ｃ ｔ ｎ ｏ ｈ ｉ ｌｓｓ ｈ ｕ ｖ ｓ ａ ｄ ｆｔｇ ｅ ｃａ ｓｆ ａ ｉ ｆｔ ｅ ｒｂ—ｔ ｉ ｏ ｏ—ｄ ｃ ｏ ｅ ｔ ｎ ｌ ｅ ｔ ｌｅ ｌ ｎ ｅ ｋ ｃ ｎｎ ｃ ｉ ｓｗｅｄ ｄ ｗｉ ｆ ｌｔｗｅ ｄ ａ ｄ ｏ ｈｉ ｐａｔａ ｅ ｅｒ ｔｏ ｌ ｒ ｂ ａ ｎ ｄ ｒ ｓ ｃｉ ｅｙ ｒｉｌｐ ｎ ｔａｉｎ ｗｅｄ ｗｅ ｅ ｏ ｔ ｉ ｅ ｅ ｐｅ ｔ ｌ ．Ｔｈ ｅ ｔｒ ｓ ｌｓｓ ｏ ｔ ａ ｈｅ ｉｉｉｌｆ ｔ ｕ ｒ ｃ ｆｔ ｅ ｆ ｌｔ ｖ ｅ ｔｓ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｈ ｔｔ ｎ ｔａ ａ ｉ ｅ ｃ ａ ｋ ｏ ｈ ｌｅ ｇ ｉ ｗｅｄ ｉ ａ ｉｙ ａ ｅ ｒ ｄ ａ ｈ ｌ ｏ ｔｏ ｈ ｂ，ｗｈ ｌ ｈ ｎ ｔａ ａ ｉｕ ｒ ｃ ｆｔｅ ｐ ｎ ｔａｉｎ ｗｅ ｄ ｉ ａ ｉｙ ｌ ｓ ｅ ｓｌ ｐｐ ａ ｅ ｔｔ ｅ ｗｅｄ ｒ ｏ ｆｔ ｅｒ ｉ ｉ ｔ ｅ ｉ ｉｉｌｆ ｔｇ ｅ ｃ ａ ｋ ｏ ｈ ｅ ｅｒ ｔｏ ｌ ｓｅ ｓｌ ｅ
UHPC_提升钢桥面板纵肋-_横隔板连接疲劳性能研究
Key words bridge engineering; orthotropic steel bridge deck; wheel load stress; fatigue performance0 引言正交异性钢桥面板（以下简称“钢桥面板”）承受车辆荷载反复作用，特别是在重载及超载交通下，极易产生疲劳裂纹和损伤累积。
疲劳裂纹在初始阶段很难发现，并且发展迅速，严重时会极大地缩短桥梁使用寿命，威胁桥梁耐久性以及安全使用[1]。
纵肋-横隔板连接是钢桥面板最为复杂的构造之一。
因为纵肋与横隔板的组装间隙难以控制，弧形开孔内的绕焊操作难度大，无法连续施焊，导致纵肋与横隔板的焊缝连接质量难以保证；在车辆荷载下，纵肋产生的竖向变形受到横隔板的限制，同时纵肋与横隔板连接端部存在截面突变，导致纵肋-横隔板焊缝连接端部绕焊位置存在明显的应力集中。
同时弧形开孔削弱了横隔板的受力面积，导致弧形开孔最边缘应力较大。
实践中纵肋-横隔板连接的疲劳开裂模式分为弧形开孔边缘开裂、横隔板焊趾开裂、纵肋焊趾水平开裂和竖向开裂，分别对应疲劳细节H、HD、LS 和LZ，如图1所示。
1 有限元模型正交异性钢桥面板在车辆轮载的作用下，有明显的局部受力特征，当轮载离开一定距离后，桥面板基本不存在轮载应力。
为了对比钢桥面板的局部受力性能摘要 文章采用有限元方法分析了钢桥面板纵肋-横隔板连接四个典型构造细节在有无UHPC 铺装情况下的轮载应力响应，并对比UHPC 铺装层对其疲劳性能的提升效果。
研究结果表明，在无刚性铺装情况下，构造细节H、HD、LS 和LZ 的最不利应力分别为-82.1 MPa、28.3 MPa、43.3 MPa 和 -42.9 MPa；在采用50 mm 厚UHPC 铺装后，构造细节H、HD、LS 和LZ 的最不利应力分别下降为-45.6 MPa、 13.0 MPa、14.7 MPa 和-12.0 MPa；UHPC 铺装层对钢桥面板纵肋-横隔板连接各构造细节的疲劳性能提升明显，其中构造细节LZ 的疲劳寿命提升高达45.4倍。
焊接钢桥结构细节疲劳裂纹原因及对策分析
受 的交变 载荷 增大 等等 。下 面将具 体分 析一 下焊接 钢桥新 型结 连接 ； ２ ） 纵 肋与横梁的连接 ； ３ ） 纵 肋 的现场 连接。在实 际设计 与 构形式下疲 劳 问题 的影 响 因素 ， 以及疲 劳 易发 生 的典 型敏 感 部 建构 中要着重 突出这几个方 面。
位， 最 后将 归 纳 出预 防疲 劳 破 坏 的几 点 对 策 。
损伤 。影 响钢桥疲 劳 的因素 按照 内因 与外 因的逻辑 分类 可 以归 论 预测 ， 具体介绍一下针对疲劳问题需要着重注意的几点问题 ： 结如下 ： 内因主要有 钢桥 应力 的集 中程度 和所用 钢 的材质 ， 外 因 １ ） 焊接方式 优先选 择对接焊 缝 ， 尽 量避免 使用角 焊缝 ， 因为 主要有应 力幅值和循环次数。断裂力学 中研究表 明 ， 焊 缝 的焊趾 前者裂纹发 生与发展 的可 能性均小 于后 者 ， 安 全 系数 较 高 ， 而对 以及焊接处 缺 口所受 应力 以及裂 纹应 力强度 三者 共 同决定 钢桥 于 承受 反 复 应 力 的部 位 建 议 采 用 连 续 焊 接 ， 根 据 一 系 列 的试 验 和
论 上 也 是 相 通 的 。 断 裂 力 学 中 明确 指 出 ： 焊 接 接 头 的 最 大 缺 口应 件 来替 代焊 接接 头 ， 焊接 接头 发生 疲 劳问题 的可 能性 是 比较 大 力 以及应 力强度因子共同决定疲劳强度 。 的 。５ ） 名 义 应 力 可 以在 焊 接 处 理 之 后 酌 情 采 用 ， 对 于 部 分 构 造 细
段 和裂纹扩展阶段 ， 钢桥疲 劳的决定 因素是不 同的。在裂纹 萌生 该 变化 极 易 加 大 因几 何形 状 变 化 而 产 生 的应 力 ， 增 大 应 力 的 后 果 阶段 ， 焊缝 的焊趾 以及焊接处 缺 口的应力状 态是此 阶段 钢桥 疲劳 将会直 接导 致裂 纹 的产生 和发展 ， 在 焊接时应 着重 注意这 一点 ，
钢桥面板U肋与横隔板不同连接缺口形式受力分析
文章编号：1009-4539(2020)12-0100-04•桥梁工程•钢桥面板U肋与横隔板不同连接缺口形式受力分析陈佳琪(中铁建云南交通建设管理有限公司云南昆明65_)摘要：正交异性钢桥面板U肋与横隔板连接处存在大量焊缝，几何构造复杂，易产生较多的焊接缺陷和应力集中，在外部车辆等循环荷栽作用下通常会诱导疲劳裂纹的萌生、开裂，影响结构正常安全使用。
为研究U肋与横隔 板不同连接缺口形式在整体受力上的特点，利用A B A Q U S有限元软件建立钢箱梁节段模型，探讨分析U肋与横隔 板连接处分别采用两种不同缺口形式对连接处应力集中的影响。
结果表明，所采用的苹果形缺口相比圆弧形缺口在减小应力集中方面具有更大优势。
关键词：钢桥面板U肋与横隔板构造细节不同缺口形式整体受力分析中图分类号：U441+.5;U441+.4文献标识码：A D O I：10. 3969/j. issn. 1009-4539.2020. 12.021Stress Analysis of Different Opening Modes at the Joint of U-rib andDiaphragm in Steel Bridge DeckC H E N Jiaqi(China Railway Construction Corporation Yu n n a n Communications Construction Administration Co. Ltd., K unming Yunnan 650000, China)A b stra c t：T h e r e are m a n y welding s e a m s a n d c o m p l e x geometry structure at the joint of U-rib a n d diaph r a g m plate inorthotropic steel bridge d e c k,w h i c h is prone to h a v e welding defects a n d stress concentration. U n d e r the action of external vehicle cyclic loads, fatigue crack initiation a n d cracking will be induced, w h i c h will affect the normal a n d safe use of the structure. T o study the overall stress characteristics of different connection notch forms b etween U-rib a n d diaphragm, in this paper, the finite element m o d e l s of steel box girder with different geometry details were established in A B A Q U S,and the influence of two different notch forms o n the stress concentration at the U-rib a n d d i a p h r a g m joint w a s analyzed. T h esimulation results s h o w that：the box girder with the apple sh a p e d notch has m o r e advantages in reducing the stress concentration at the joint of U-rib a n d d i a p h r a g m plate than that of the arc-shaped notch.Key w o rd s：steel bridge d e c k；structural details of U-rib a n d d i a p h r a g m；different gape forms; overall stress analysis1引言随着我国经济和科技发展，桥梁用钢量和性能 都有了很大提升，进一步促进了大跨度钢桥的设计 建造。
正交异性钢桥面板疲劳性能的局部构造效应
ｏ ｆ ｆ ａ ｉ ｔ ｇ ｕ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｒ ｉ ｂ — ｔ ｏ — ｄ ｅ ｃ ｋ ｗ ｅ ｌ ｄ ｅ ｄ ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ｏ ｂ ｉ ｒ ｄ ｇ ｅ ｓ ．Ｗｈ ｅ ｒ ｅ ａ ｆ ｌ ｏ ｎ ｇ ｉ ｔ ｕ ｄ ｉ ｎ ａ ｌ
隔板 设 置和纵 肋 厚度 导致 纵肋 对接 焊接 细 节 的疲 劳效 应存 在 显著 差 异． 在 此基 础 上进 一步 研 究 了桁 架 式纵 隔板对 ２类焊 接细 节疲 劳效 应 的影 响 范 围． 对 于 顶板 一 纵 肋焊 接 细 节 ， 影 响 范 围为 以
纵 隔板一 顶板 节 点为 中心 ， 顺、 横 桥 向长度 均 为 ０ ． ６ ｍ 的矩 形分 布 区； 而 对 于纵 肋 对接 焊 接 细 节 ， 影 响范 围为 以纵 隔板 的顺桥 向截 面 为 中心 ， 宽度 为 ０ ． ６ ｍ 的长 带 状分布 区．
（ Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆＣ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ａ ｎ ｄ Ｐ ｒ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｅ ｄ Ｃ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｅｓ ｒ ｏ ｆＭｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｅ ｄ ｕ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ，Ｓ ｏ ｕ ｔ ｈ ｅ ａ ｓ ｔ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ ２ １ ０ ０ ９ ６ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
关键 词 ： 钢 箱梁 ； 正 交异 性钢桥 面板 ； 疲劳 ； 局部 构造 效 应 ； 有 限元模 型 中 图分类 号 ： Ｕ ４ ４ ８ ． ２ ９ 文献 标 志码 ： Ａ 文 章编 号 ： １ ０ ０ １ — ０ ５ ０ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ － ０ ４ ０ ３ － ０ ６
横隔板厚度和间距对钢桥面板疲劳应力幅的影响
横隔板厚度和间距对钢桥面板疲劳应力幅的影响*摘要：根据国内外钢箱梁的研究成果，基于某大跨径斜拉桥，分别建立以横隔板厚度和间距参数变化的三维钢箱梁板壳有限元模型A和B，分析了横隔板厚度和间距对正交异性钢桥面板典型构造细节疲劳应力幅的影响，与国内外规范进行了比较研究。
研究结果表明：横隔板厚度和间距对U形肋现场对接焊缝处基本没有影响，但对其他各构造细节的疲劳应力幅均有一定影响；欧洲规范对横隔板厚度不小于10mm和间距取2.5～3.5m的建议较合理，值得借鉴。
关键词：钢桥面板；横隔板；构造细节；疲劳应力幅0 引言正交异性钢桥面板具有强度高、自重轻、整体性好等优点，因此广泛应用于大跨径斜拉桥和悬索桥中。
由于其结构复杂、纵横向交叉多、焊缝多，且直接承受车轮荷载的作用，应力变化幅度大，容易产生疲劳［1］。
随着国内交通量和车辆荷载的增加，使得许多正交异性钢桥面板出现了疲劳损伤现象［2］，如虎门大桥、宜宾金沙江桥、圣水大桥等。
影响钢结构疲劳破坏主要因素是应力幅、构造细节和循环次数。
横隔板厚度对横隔板的抗弯刚度有很大影响，进而将显著影响桥面板面外变形的大小；横隔板的间距直接影响纵肋的弹性支撑刚度大小。
而在车轮荷载作用下，桥面板和纵肋往复变形引起的应力幅值直接影响其自身疲劳强度，这是产生疲劳裂纹的主要原因。
针对桥面板和纵肋产生疲劳裂缝的问题，国内外学者做了一些研究［3-6］。
AASHTO规范［7］规定结构钢的厚度不应小于8mm，横隔板可设置在结构的两端、中间支承处和沿全跨按一定间隔分布，且应对假定施工过程的各阶段以及设计工况进行研究后，确定横隔板的间距。
Eurocode［8］规定横隔板间距与纵肋刚度应该满足的关系如图1所示，横隔板间距一般取2.5～3.5m，横隔板厚度不小于10mm。
加拿大桥梁设计规范［9］10.7.2条规定：钢箱梁主要构件的连接板、端横梁、横隔板的钢板厚度均不小于10mm，在10.12.6.1条规定中间横隔板间距不得超过8m。
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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BU Yizhi XU Huaxiang LI Jun ZHANG Qinghua
（ Department of Bridge Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）
ABSTＲACT： The welding details of the longitudinal ribs and the transverse plate are typical fatigue-prone details in the orthotropic steel deck plate． Due to factors such as manufacturing welding technique，manufacturing errors in the details of the structure cannot be completely avoided． In order to explore its deteriorating effect on details’fatigue resistance，the paper focused on manufacturing errors generated in the model test，and based on the extended finite element method of linear elastic fracture mechanics，a finite element model containing a crack block was established． Through the analysis and comparison of the first principal stress field and fracture mechanics calculation results of the structural details，the deteriorative effect of manufacturing errors on the fatigue resistance of the welding details of longitudinal ribs and diaphragms was obtained． The results showed that the cutting vertical degree error of the transverse diaphragm （ zone I） and the error of the cutting section of the transverse diaphragm opening （ zone II） were generated． in the test model． Among them，it was difficult to change the fatigue cracking mode caused by the manufacturing errors in the zone I； the cutting stiffness in the zone II weakened the longitudinal stiffness at the opening of the diaphragm，and reduced the constraints of the diaphragms on the underside of the welds； once the cutting error in zone II occurred，the magnitude of the I ～ III stress intensity factors in the arcuate openings of the diaphragms would increase rapidly． With the increase of manufacturing errors，the increase of I ～ III stress intensity factor slowed down． Compared with the no error condition，the initial manufacturing error condition in zone II reduced the fatigue life by 21． 4%，and the test manufacturing error condition reduced the detail fatigue life by 28．5%． KEY WOＲDS： rib-to-diaphragm welded joint； manufacturing errors； XFEM； fatigue deterioration effect
卜一之，等： 制作误差对纵肋与横隔板焊接细节疲劳抗力的劣化效应
制作误差对纵肋与横隔板焊接细节疲劳抗力的 劣化效应*
卜一之 许华翔 李 俊 张清华
（ 西南交通大学 桥梁工程系，成都 610031）
摘 要： 纵肋与横隔板焊接细节是正交异性钢桥面板中的典型疲劳易损细节。受到制作焊接技术等因素的制约， 该处构造细节的制作误差难以完全规避。为探究其对关注细节疲劳抗力的劣化效应，针对模型试验中产生的制作 误差，基于线弹性断裂力学的扩展有限元方法（ XFEM） ，建学计算结果的分析对比，得到制作误差对纵肋与横隔板焊接细节疲劳抗力的劣化效应。研究结果表 明： 试验模型中产生了横隔板犄角切割垂直度误差（ Ⅰ区） 与横隔板开孔切割断面凹陷误差（ Ⅱ区） ，其中 I 区制作 误差的产生难以改变疲劳裂纹开裂模式； Ⅱ区制作误差削弱了横隔板开孔犄角处的纵向刚度，减轻了横隔板对围 焊下方的约束； Ⅱ区制作误差一旦产生，横隔板弧形开孔处Ⅰ—Ⅲ型应力强度因子幅值均会迅速增大，随着制作误 差的增加，Ⅰ—Ⅲ型应力强度因子幅值増势减缓。相对于无制作误差工况，Ⅱ区初始制作误差工况关注细节疲劳 寿命减少了 21. 4%，试验制作误差工况关注细节疲劳寿命减少了 28. 5%。 关键词： 纵肋与横隔板焊接细节； 制作误差； 扩展有限元方法； 疲劳抗力劣化效应 DOI： 10. 13206 / j．gjg201902016