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
２４００ｍｍꎻ小横梁腹板厚１８ｍｍꎬ高１３７６ｍｍꎮ
高２６０ｍｍꎬ顶部宽３００ｍｍꎮ 大横梁腹板厚１８ｍｍꎬ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
㊀㊀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

正交异性钢桥面板疲劳裂纹分析以及抗疲劳优化设计研究
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

关键词：正交异性板；钢箱梁；疲劳；裂缝；止裂孔
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]。

疲劳裂纹扩展与寿命计算

下午12时41分28秒
Values of C and m for Crack Growth Eqn.
20
Material
c
m
下午12时41分28秒
4 影响疲劳裂纹扩展的因素 21
影响疲劳裂纹扩展的因素
➢应力强度因子变程 • 最重要、最基本
➢应力比 ➢平均应力 ➢高载峰值 ➢加载频率 ➢温度 ➢环境介质
控制的： da c(K )n dN
式中c、n是与试验条件（环境、加载频率、温度和应力比R等）有关的材料常数，对于绝大多数金属材料，n = 2 ~ 4。KI为应力强度因子幅度，其定义为
KI KI,max KI,min (I,max I,min ) a
Paris公式表明：疲劳裂纹扩展是由裂纹尖端弹性应力强度因子的变化幅度所控制的。
m
1 1
R R
a
1 R 1 R
2
1 R 2
当应力变程一定时，平均应力随应力比的增加而增加
平均应力的影响可通过R来体现
下午12时41分28秒
注：Paris公式的几种修正形式简介 24
1）Donalure公式：反映门槛值的影响
da dN
c(K12
K
2 th
)
在曲线的第I区域，即在疲劳裂纹扩展初期，疲劳裂纹扩展速率受 Kth 的影响较大，但是paris公式没有反映门槛值的存在，也没有反映Kth 的影响，所以Donalure提出上式疲劳裂纹的扩展速率经验Kth公式。
下午12时41分28秒
注：Paris公式的几种修正形式简介 25
2）Walker公式：考虑平均应力的影响，适合描述裂
纹速率特性的第II区域。
da dN
c[KI,max (1 R)m ]n

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。

正交异性钢桥面板疲劳问题的研究

H 正交异性钢桥面板桥梁疲劳设计和评估的标准。
目前我国主要存在以下几个问题:①关于疲劳破坏的实
验数据较少，没有办法建立完整的疲劳寿命S - N 曲线;②钢
结构桥梁的疲劳设计规范在近年没有更新，所采用的数据往往小桥居多，面对大跨径桥梁的疲劳设计无法参考s 由于存在这些问题，我国的正交异性板的疲劳破坏设计主要参考国外规范$
英国 Seven桥，该桥在 1996年建成通车后，分别于 1971年和
1977年发现了三种焊接细节的疲劳裂纹。而德国于 1960年
和 1968年建成的Sinntal和 Haseltal桥投人使用后不久也出现了疲劳裂纹。此外，日本、美 W 、荷兰、法国等也有类似的
事故发生0 针对钢桥面板出现的疲费裂纹，在欧洲煤钢联营
建造水平的提高，我国建设了一大批具有世界先进水平的大跨度钢桥，在以后的发展中，我国必将会建设更多的大型钢结构桥梁5
钢结构桥梁虽性能优异，但欧美在建设了大量钢结构桥梁后 , 不断有一些钢桥发生突然的疲劳断裂破坏。虽然近年来，随着对于疲劳问题认识深度不断加强，新的研究成果不断涌现，但是仍然有部分钢桥发生疲劳破坏。2007年 8 月 1
1 钢桥疲劳问题概述
2 0 世纪 3 0 年代以后，随着科学技术的发展，国外钢结构桥梁的设计理论及工艺也迅速发展。虽然我国的公路钢桥发展起步较晚，但是 2 0 世纪 8 0 年代中期以后，我国的桥梁

正交异性桥面板设计参数和构造细节的疲劳研究进展

１概
述
第二次世界大战后，方面大量被战争毁坏的一
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，过焊缝连接成一通
ｃｎｇｄｌｒｅｙ，ｌｔｗｅｕｌｓｏｆｒｓａｃｅｅｒｐｏｒｅ．Ｔｈｉｓｕｅｔｉｓｔａｅａｒｖｅｏｆｔｏｅｓｉｈａｅａｇｌｏｓｏｆｎｅｒｓｔｅｅｒｈｗｒｅｔｄｓｉｓｒｅｏｍｋｅｉｗｈｅｐｒｇｒｓｎｆｔｇｕｅｅｒｈｈｔｔｏｃｄｅｋｎｈｅｌｔｔｎｙｅｒｎｔｅｉａａｅｅｎｔｕｔａｅａｌ．ａｉｅｒｓａｃｏｎｔｅｏｒｈｏｒｐｉｃｉｔａｓｅａｓｏｈｅｄｓｇｎｐｒｍｔｒａｄｓｒｃｕｒｌｄｔｉｓＫＥＹＯＲＤＳ：ｒｈｒｃｄｃＷｏｔｏｔｏｐｉｅｋ；ｆｔｇａｉｕｅ；ｄｅｉｎｒｍｅｅｓｇｐａａｔｒ；ｓｒｃｕｒｔｉｓｔｕｔｅｄｅａｌ
ＺｈｎｘｉＬｕＸｉａｏＸｉｎｉａｏｇｕａｎｇＺｈｇＹｕｌａｎｉｎｇ
（ｎｔｕｅｏｉａｏｓｒｃｉｎｈｎａｅｆｉａｃｎｅ，ｅｉｇ１０８，ｈｎ）ＩｓｉｔｆｌｙＣｎｔｕｔ，ＣｉａＡｃｄｍｙｏｌｙＳｉｃｓＢｉｎ００１ＣｉａｔＲａｗｏＲａｗｅｊ

正交异性钢桥面板疲劳病害分析及改造措施研究

第４６卷，第２期２０２１年４月公路工程ＨｉｇｈｗａｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ．４６，Ｎｏ．２Ａｐｒ．，２０２１Ｄｏｉ：１０．１９７８２／ｊ．ｃｎｋｉ．１６７４－０６１０．２０２１．０２．００９［收稿日期］２０２０－１２－２１［基金项目］国家重点研发计划项目（２０１７ＹＦＢ０３０４８０５）；湖南省交通运输科技创新计划项目（２０１７３４）［作者简介］陈　辉（１９８２—），男，山西运城人，高级工程师，主要从事路桥管理与养护工作。

［引文格式］陈　辉，于　力，耍荆荆．正交异性钢桥面板疲劳病害分析及改造措施研究［Ｊ］．公路工程，２０２１，４６（２）：５４－５９．ＣＨＥＮＨ，ＹＵＬ，ＳＨＵＡＪＪ．Ｆａｔｉｇｕｅｄｉｓｅａｓｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃｓｔｅｅｌｂｒｉｄｇｅｄｅｃｋａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｓ［Ｊ］．ＨｉｇｈｗａｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２１，４６（２）：５４－５９．正交异性钢桥面板疲劳病害分析及改造措施研究陈　辉１，于　力１，耍荆荆２（１南京长江第二大桥有限责任公司，江苏南京　２１００００　２中交公路规划设计院有限公司，北京　１０００８８）［摘　要］正交异性钢桥面板以其自重轻、承载能力大、施工速度快等特点，在全世界范围内大量出现在新桥尤其是大跨度桥梁的建设中。

由于正交异性钢桥面板整体刚度不足、桥梁承载交通量与日激增，在运营过程中因钢构件应力集中出现不同程度的疲劳病害，严重影响了结构疲劳性能。

剖析正交异性钢桥面板疲劳病害发生根本原因，同时结合实桥与足尺模型试验结果，提出桥面结构改造方案。

研究成果可为类似正交异性钢桥面板的疲劳处治提供借鉴。

［关键词］正交异性桥面板；组合桥面板；高性能混凝土；有限元模型；实桥验证［中图分类号］Ｕ４４３３３［文献标志码］Ａ［文章编号］１６７４—０６１０（２０２１）０２—００５４—０６ＦａｔｉｇｕｅＤｉｓｅａｓｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＯｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃＳｔｅｅｌＢｒｉｄｇｅＤｅｃｋａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔＭｅａｓｕｒｅｓＣＨＥＮＨｕｉ１，ＹＵＬｉ１，ＳＨＵＡＪｉｎｇｊｉｎｇ２（１ＴｈｅｓｅｃｏｎｄＮａｎｊｉｎｇＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒＢｒｉｄｇｅ，Ｌｔｄ，Ｎａｎｊｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ２１００００，Ｃｈｉｎａ；　２ＣｃｃｃＨｉｇｈｗａｙＣｏｎｓｕｌｔａｎｔｓＣｏ，Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８８，Ｃｈｉｎａ）［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａｔｔｒｉｂｕｔｅｄｔｏｉｔｓｌｉｇｈｔｓｅｌｆｗｅｉｇｈｔ，ｈｉｇｈｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ，ｒａｐｉｄｅｒｅｃｔｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃｓｔｅｅｌｄｅｃｋｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｔｏｂｒｉｄｇｅａｌｌａｒｏｕｎｄｔｈｅｗｏｒｌｄ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｌｏｎｇｓｐａｎｂｒｉｄｇｅｓＭａｎｙｂｒｉｄｇｅｓｈａｖｅａｐｐｅａｒｅｄｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｇｒｅｅｗｉｔｈｈｉｇｈｔｒａｆｆｉｃｖｏｌｕｍｅｓｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃｓｔｅｅｌｄｅｃｋ，ｉｔｈａｓｃａｕｓｅｄｓｅｒｉｏｕｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｉｎｔｈｅａｎｔｉｆａｔｉｇｕｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＯｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｄｅｆｉｎｉｔｅｌｙｄｉｓｅａｓｅｃａｕｓｅｓａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｓｃｈｅｍｅｓｏｆｄｅｃｋｗｉｔｈｆｕｌｌｓｃａｌｅｍｏｄｅｌｔｅｓｔｉｎｇａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｂｒｉｄｇｅｔｅｓｔｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄＩｔｐｒｏｖｉｄｅｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｂａｓｉｓｆｏｒｆａｔｉｇｕｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃｓｔｅｅｌｄｅｃｋ１［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃｓｔｅｅｌｄｅｃｋ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｒｉｄｇｅｄｅｃｋ，ｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｄｅｒｃｏｎｃｒｅｔｅ，ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ，ｐｒａｃｔｉｃａｌｂｒｉｄｇｅｔｅｓｔ０　引言随着正交异性钢桥面板的大规模使用［１－４］，由于该类桥面板自身的受力特性和交通流量的增多增重，全世界范围内的正交异性钢桥面板均面临着疲劳开裂的问题。

正交异性钢桥面板疲劳设计参数和构造细节

正交异性钢桥面板疲劳设计参数和构造细节汇报人：日期:CATALOGUE目录•引言•正交异性钢桥面板概述•疲劳设计参数•构造细节对疲劳性能的影响•疲劳设计参数和构造细节的优化建议•结论与展望01引言钢桥在交通领域的应用日益广泛，正交异性钢桥面板作为其重要组成部分，其疲劳性能对桥梁的安全性和使用寿命具有重要影响。

当前，钢桥面板的疲劳设计主要依赖于经验和实验，缺乏系统性的设计和分析方法，因此研究正交异性钢桥面板的疲劳性能具有重要意义。

研究背景和意义研究目的和方法研究目的通过对正交异性钢桥面板的构造细节和设计参数进行系统性的分析和研究，提出相应的疲劳设计建议和优化措施，以提高钢桥面板的疲劳性能和使用寿命。

研究方法采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，对正交异性钢桥面板的构造细节（如焊接细节、构造形式等）和设计参数（如材料属性、应力水平等）进行系统性的分析和研究。

同时，结合实验测试和数值模拟结果，对钢桥面板的疲劳性能进行评估和优化。

02正交异性钢桥面板概述正交异性钢桥面板是一种由上下两层钢板和连接两层钢板的横梁组成的桥梁面板。

特点包括构造简单、承载能力强、抗疲劳性能好等。

正交异性钢桥面板的定义和特点应用正交异性钢桥面板广泛应用于大跨度桥梁、高速公路桥梁和城市高架桥等。

发展随着材料科学和制造工艺的进步，正交异性钢桥面板的设计和制造技术不断得到改进和完善。

正交异性钢桥面板的应用和发展采用高强度钢材，经过精密加工和焊接而成。

上下两层钢板横梁防腐涂层连接上下两层钢板，一般采用无缝钢管或H型钢制造。

为提高耐久性，正交异性钢桥面板表面需涂覆防腐涂层。

03正交异性钢桥面板的构造细节020103疲劳设计参数应力幅值应力幅值大小应力的幅值大小是影响钢桥面板疲劳性能的关键因素之一。

当应力幅值超过材料的疲劳极限时，桥面板将逐渐产生疲劳裂纹，导致结构失效。

因此，在设计时需要选择适当的应力幅值，以确保桥面板的疲劳寿命。

应力幅值分布应力幅值的分布也会影响钢桥面板的疲劳性能。

正交异性钢桥面板疲劳裂纹成因及对策

正交异性钢桥面板疲劳裂纹成因及对策正交异性钢桥面板由于具有自重轻、极限承载力大、使用寿命长等优点，目前广泛应用于桥梁中。

但由于其结构受力复杂且受焊接残余应力影响较大，在受集中荷载作用和焊接部位易发生疲劳裂纹。

本文介绍了正交异性钢桥面板裂纹产生的原因以及在制造过程中针对疲劳裂纹采取的工艺措施。

标签：钢桥；桥面板；正交异性；疲劳裂纹1 概述正交异性钢桥面板具有自重轻、极限承载力大、使用寿命长等特点，目前广泛应用于跨径桥梁中。

高速铁路钢桥正交异性钢桥面板桥面系由带有纵向加劲肋的桥面板单元、纵梁、横梁三个部分组成，如图1所示。

桥面板单元与纵梁盖(腹)板、相邻桥面板连接在拼装场完成，横梁腹板、底板及桥面板与主桁连接在桥位完成。

通常，面板与主桁间采用焊接，横梁腹板、底板与主桁以及纵向劲肋间接采用高强度螺栓连接。

由于正交异性钢桥面板结构直接承受桥面活载作用，受力复杂，在集中荷载作用下会局部变形，产生疲劳裂纹。

此外，钢桥面板构造复杂，焊缝数量多，施焊难度大，工厂制造和现场的组装精度和焊接质量（特别是某些焊缝的熔深、咬边和焊接缺陷）也是潜在的疲劳裂纹源，疲劳开裂将严重影响整个桥梁的安全。

因此,高速铁路钢桥正交异性桥面板在制造过程中必须采取安全有效的措施来保证其质量。

2 正交异性板单元常见疲劳裂纹及成因目前国内投入运营桥梁的正交异性板结构暴露出一些疲劳裂纹问题，主要表现部位和形式如下：2.1 顶板与U肋焊缝处的纵向裂纹，严重的已经贯穿面板，如图2、图3所示。

主要原因一是面板厚度较薄，造成桥面刚度较弱，在局部轮载直接作用下，U肋与面板连接处会产生裂纹；二是Ｕ形肋与面板的焊缝质量较差，熔深达不到设计要求，焊缝有效喉厚不足，或者焊趾部位存在咬边等焊接缺陷，形成疲劳源，在活载的反复作用下产生裂纹。

2.2 U肋下端过焊孔处U肋与隔板间的裂纹，如图4所示，主要原因是端头围焊部位焊缝质量差，打磨不彻底，导致应力集中现象。

2.3 横梁腹板上Ｕ肋穿过的开孔部位的裂缝，如见图5所示，主要是由于横梁腹板开孔切割面存在切割缺陷和尖角，应力集中明显；此外，横梁腹板开孔部位是刚度陡变部位，抗横梁腹板横向变形的吸能区范围小，易产生疲劳裂纹。

正交异性钢桥面板疲劳性能及维修加固方法研究

三、结果与讨论
1、疲劳试验结果
1、疲劳试验结果
在静态加载和动态加载条件下，我们发现正交异性钢桥面板的应力分布呈现出明显的规律性。在应力集中的区域，如焊缝和截面变化处，疲劳裂纹容易产生。通过观察裂纹扩展的速度和方向，我们可以初步判断出裂纹扩展的主要影响因素。
2、结果分析
2、结果分析
分析试验数据，我们发现材料的力学性能、焊接工艺、应力集中等因素对正交异性钢桥面板的疲劳性能有显著影响。其中，材料的力学性能如抗拉强度和屈服强度是决定疲劳性能的关键因素。同时，焊接工艺的好坏也会直接影响焊缝处的应力分布，进而影响疲劳性能。应力集中是导致疲劳裂纹产生的主要因素，应尽量避免在设计和制造过程中产生应力集中的情况。
疲劳试验是研究材料疲劳性能的主要手段。通过疲劳试验，可以获得材料的 S-N曲线、疲劳极限、疲劳裂纹扩展速率等关键参数。针对正交异性钢桥面板，可以采用不同应力比、不同循环次数、不同温度和湿度等条件下的疲劳试验，以全面评估其疲劳性能。
正交异性钢桥面板的疲劳性能
除了试验研究，数值模拟也是分析正交异性钢桥面板疲劳性能的有效方法。通过建立详细的有限元模型，可以模拟材料的应力-应变历程、疲劳裂纹萌生和扩展过程，并预测结构的剩余寿命。数值模拟不仅可以节省时间和成本，还可以对试验无法覆盖的工况进行深入研究。
正交异性钢桥面板的维修加固方法
4、喷涂防护层：在维修加固完成后，为了防止再次出现疲劳裂纹，可以在钢桥面板表面喷涂一层高分子材料作为防护层。这种防护层不仅可以提高结构的耐腐蚀能力，还可以减少环境因素对结构的影响。
参考内容
一、引言
一、引言
随着现代交通工程的不断发展，桥梁作为重要的交通枢纽，其结构和性能的可靠性至关重要。正交异性钢桥面板作为一种常见的桥梁结构形式，其疲劳性能是保证桥梁安全运行的关键因素。本次演示旨在探讨正交异性钢桥面板的疲劳性能，为提高桥梁的安全性和使用寿命提供理论依据。

钱冬生--关于正交异性钢桥面板的疲劳

关于正交异性钢桥面板的疲劳——对英国在加固其塞文桥渡时所作研究的评介钱冬生3提　要　对英国塞文桥渡正交异性板构造的疲劳裂纹产生的原因、所作试验及对其疲劳寿命计算作了介绍,并进行了探讨。

关键词　英国　塞文桥渡　钢正交异性板　疲劳3教授,610031,西南交通大学1　塞文桥渡的原结构塞文桥渡包含:中跨988m 的塞文悬索桥,中跨234.7m 的瓦埃斜拉桥,跨度61.7～64.0m 的连续梁(引桥)。

其钢梁为全部采用正交异性钢桥面板的单室单箱截面梁。

钢正交异性板桥面是在第二次世界大战之后于50年代初期出现的。

开始时纵肋用开口截面,在60年代逐渐改为闭口截面。

由于制造工艺使闭口纵肋长度受到限制,其设计长度以相邻两横梁之间的距离来决定。

在塞文桥渡,此长度为4.572m (悬索桥范围内)和4.267m (其余部分)。

纵梁两端抵住横梁,用角焊缝作连接(横梁实质上由横肋及横隔板组成,将箱梁的部分顶板和底板当作横梁的翼缘使用;横梁高度与箱梁高度相同。

)。

按照悬索桥的设计说明,强度和刚度都不控制加劲梁。

因此,钢材厚度主要按制造和安装要求决定。

面板厚度为11.5mm ,纵肋厚度为6.4mm ,角焊缝焊脚为6mm 。

图1为英国TRRL (T ran spo rt and Road R esearch L abo rato ry ,运输和道路研究试验所)所用试件的截面,其中(a )完全按塞文桥渡各钢梁的尺寸办理,(b )表示改进方案,将纵肋截面从梯形改为V 形;在纵图1　TRRL 试件截面肋同横梁相遇处,在横梁开孔,让纵肋穿过。

还需指出:塞文悬索桥在压低造价方面有些过火。

它省去储梁场地,省去运梁驳船;只是需要在梁段端头敞口处,用一厚5mm 的横隔板充当“封头板”,使梁段变成浮体;既可在水上储存,又可用拖船直接将它推顶到桥位。

这样一来,封头板上端便同梯形纵肋下缘相焊,而这一焊接构造就使纵肋在运营中开裂。

2　英国桥规BS 5400第10篇英国B S 5400第10篇是1980年公布的。