湛江海湾大桥锚拉板式索梁锚固区疲劳试验
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
试验主要对以下细节进行了研究 : (1) 锚拉筒与锚拉板间的传力角焊缝 ; (2) 锚拉筒与锚拉板间连接 角焊缝下端部的圆弧过渡区 (图 1 ( a)中 A 区和 B 区 ) ; (3) 锚拉板 、主梁外腹板和桥面加强板间的十字接 头受力焊缝 ; (4) 锚拉板与桥面加强板连接焊缝右端部的圆弧过渡区 (图 1中 C区 ). 除上述细节外 ,通过 焊缝与锚拉板连接的桥面加强板在板厚度方向承受较大的拉应力 ,焊缝冷却收缩引起近缝区母材的层状
1 试验模型设计与制造
1. 1 试验模型设计 [ 4, 5] 因斜索倾角和索力大小不同 ,全桥共有 20种参数不同的锚拉板结构 ,须从中选出一种最具代表性的 结构进行研究. 根据全桥计算结果 ,活载作用下 MM13锚拉板索力增量最大 ,且此锚拉板结构在全桥具有 代表性 ,故选其作为试验对象. 此索梁锚固区最大设计索力 P = 4. 9 MN ,横梁端竖向剪力 Q = 0. 9 MN ,远 塔端水平轴力 N = 1. 0 MN ,锚拉板顺桥向水平倾角 α = 21. 823°,横桥向竖向倾角 β= 6. 803°.
Fa tigue Test of Ten sile Anchor Pla tes in Cable2Beam Anchorage Zones for Zhan jiang Gulf Br idge
R EN W eiping, Q IAN G S h izhong, W E I X ing, WAN G Chunhan
3 试验结果及分析
为了解试验模型的应力分布规律 ,给应变测点布置提
供参考 ,进行了有限元分析. 分析采用有限元软件 ANSYS,
四节点三维壳单元 shell181,试验模型局部单元离散如图
3所示. 有限元分析结果表明 :
(1) 锚拉筒与锚拉板连接焊缝末端 、锚拉板开槽圆弧
倒角处 (A , B 区 )存在较严重的应力集中 ,应力最大值出
第 42卷
撕裂 ,也是一种非常危险的缺陷. 因为在循环拉应力作用下 ,断续的单个层状撕裂很快扩展 、聚合 ,形成一 条大裂纹 ,可能使结构突然破坏 [3 ]. 该桥桥面加强板采用抗层状撕裂钢 ,通过疲劳试验了解其在循环荷载 作用下的性能也是研究内容之一.
图 1 湛江海湾大桥锚拉板式索梁锚固型式 Fig. 1 Tensile anchor p late in the cable2beam anchorage zones of Zhanjiang gulf bridge
由于试验模型总体尺寸较大 ,不能放入试验加载框架内直接加载 ,因此设计了加载横梁 ,利用加载横 梁的一个反力点施加荷载. 为方便加载 ,设计了锚固基座与支撑立柱 ,将钢主梁倾斜放置 (钢主梁轴线与 地面夹角为 68. 177°) ,使斜索中心线与地面垂直 ,总体布置如图 2所示. 试验时 ,应考虑加载横梁变形和 板件间隙等产生的位移量 ,如果位移过大 ,可能导致试验机加载频率过低 ,甚至无法加载.
广东湛江海湾大桥为双塔双索面钢箱梁斜拉桥 ,跨径为 120 m + 480 m + 120 m ,全桥共有 112 根斜 索 ,主梁为全焊钢箱梁 ,索梁锚固型式为锚拉板式. 这是我国首次在大跨度全焊钢箱梁斜拉桥中采用锚拉 板式索梁锚固结构. 该索梁锚固结构的特点 ,是将一块厚钢板作为锚拉板 ,在锚拉板上部开槽 ,槽口内侧焊 接在锚筒外侧 ,斜拉索穿过锚筒并用锚具锚固在锚筒底部的锚垫板上 ,锚拉板底部焊接在主梁外腹板上的 钢箱梁顶面 ,如图 1所示. 这种锚固方式传力路径明确 ,构造简单 ,施工 、检查和维修方便 ,但部分区域应力 明显集中 ,一些关键构造细节的疲劳强度还有待研究 [ 1, 2 ]. 为确保结构安全 ,给设计 、施工和后期维护提供 指导 ,对该桥锚拉板式索梁锚固结构进行了足尺模型疲劳试验.
现在该区域 ,最大主拉应力为 39. 63 M Pa;
wenku.baidu.com
(2) 沿锚拉筒与锚拉板连接焊缝 ,应力由下向上 (沿
斜索中心线方向 )逐渐减小 ,焊缝上端部主拉应力已经降 至约 10. 00 M Pa;
图 3 有限元计算模型 Fig. 3 The 3D finite element model
(3) 锚拉板中部主要受拉 ,应力相对均匀 ;
湛江海湾大桥锚拉板式索梁锚固区疲劳试验
任伟平 , 强士中 , 卫 星 , 王春寒
(西南交通大学土木工程学院 , 四川 成都 610031)
摘 要 :为评估湛江海湾大桥锚拉板式索梁锚固结构关键构造细节的疲劳性能 ,对该结构进行了足尺模型疲劳 试验. 为指导疲劳试验 ,了解结构受力特性 ,用通用有限元软件 ANSYS对结构进行了分析. 结果表明 ,锚拉板与 锚拉筒之间的连接焊缝下端部应力集中明显 ,最大主拉应力出现在该区域 ;在设计疲劳荷载作用下 ,该结构关键 构造细节处均未发现疲劳裂纹 ,结构疲劳性能满足设计要求. 关键词 :锚拉板 ;疲劳试验 ;索梁锚固结构 中图分类号 : U441. 4 文献标识码 : A
试验模型主要由钢主梁 、锚拉板 、锚固基座和支撑立柱 4个部分组成 (图 2 ( b) ). 由于运输条件限制 , 4个主要部件在中铁山桥集团分别加工 ,然后运至实验室进行组焊. 锚拉板是试验研究的主要对象 ,制造 工艺流程为 :
(1) 锚拉板 、锚垫板 、锚座板 、肋板及锚拉管采用数控切割机精确下料 ; (2) 精确下料后用赶板机赶平 ,严格控制各构件的平面度 ; (3) 对焊接坡口 、锚座板和锚垫板孔等进行机加工 ; (4) 组焊 、修整锚拉管 ; (5) 将锚拉管组焊在锚拉板上 ; (6) 组装并焊接锚拉板加劲肋 ,完成锚拉板主体结构制造. 实验室组装时 ,为保证锚拉板与钢箱梁顶板在水平方向和竖直方向的夹角 ,首先根据夹角大小加工出 有一定坡角的定位板 ,并在顶板放样 ,确定锚拉板与钢箱梁顶板的连接边线 ,然后沿边线焊接一定数量的 定位板 ,使锚拉板与定位板密贴 ,从而保证锚拉板的安装精度. 试验证明 ,该方法制造精度高 、操作方便 ,为 实桥锚拉板与桥面加强板在预拼现场的组焊提供了经验.
关键测点布置如图 4 所示. 为测量试验模型的应力 分布 ,共布置了 97个测点 ,全部为三向应变花. 测点主要 布置在关键连接焊缝附近 、应力集中较严重的区域和钢
第
42卷 第 1期 2007年 2月
西 南 交 通 大 学 学
JOURNAL OF SOUTHW EST J IAOTONG
报 UN IVERS
ITY
Vol. 42 No. Feb. 2007
1
文章编号 : 025822724 (2007) 0120049206
(4) 由于截面面积逐渐变大 ,锚拉板下部应力明显下降 ,多数区域的主拉应力降到 20. 00 MPa以下 ;
(5) 锚拉板底部右端圆弧过渡区 (C区 )及 D 区也存在一定程度的应力集中.
3. 1 静力试验
疲劳试验前进行了静力试验 ,主要了解模型各部件加载后位移的变化 、应力分布和测点工作状况 ,对
图 2 疲劳试验模型总体布置 Fig. 2 General layout of the fatigue test model
第 1期
任伟平等 :湛江海湾大桥锚拉板式索梁锚固区疲劳试验
51
1. 2 试验模型制造 焊接细节的疲劳强度与焊缝施工工艺和施工质量密切相关 ,模型制造要对钢 (焊 )材质量 、焊接工艺 和焊工技能等进行控制 ,尽可能使各构件受力后按照预期发生变形 ,而不因局部约束产生二次效应 ,这是 使结构疲劳性能达到最好状态的根本措施.
试验模型的荷载状况和边界条件等进行校核. 静力试验荷载为疲劳试验荷载的最大值 ( 810 kN ) ,荷载分
52
西 南 交 通 大 学 学 报
第 42卷
级为 : 50 kN → 202 kN →354 kN →506 kN → 658 kN → 810 kN →658 kN →506 kN →354 kN →202 kN →50 kN.
收稿日期 : 2005210228 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50278079) 作者简介 :任伟平 (1979 - ) ,男 ,博士研究生 ,研究方向为钢桥疲劳与稳定 ,电话 : 13882185860, E2mail: renwp888@163. com
50
西 南 交 通 大 学 学 报
2 试验荷载
疲劳荷载幅值及对应的循环加载次数是工程结构疲劳寿命评估的重要参数. 我国相关设计规范对桥 梁构件疲劳荷载谱的计算没有明确规定 ,仅在《公路桥涵钢结构及木结构设计规范 》( JTJ025—86 )中指 出 ,验算结构的疲劳强度时 ,应根据桥梁实际行车情况 ,选用实际经常发生的荷载组合中的车辆荷载进行 计算. 根据湛江海湾大桥的设计交通状况 ,参考 BS5400, AASHTO 和 Eurocode 3等相关国际规范对桥梁设 计疲劳荷载的规定 [ 6～8 ] ,通过荷载历程计算 ,可求得在桥梁设计寿命 ( 100 a)内与 MM13 锚拉板相连斜索 承受的设计疲劳荷载频谱值. 运用 M iner线性累积损伤理论 ,即可确定试验模型 200万次循环加载对应的 等效疲劳设计荷载幅值为 760 kN.
试验模型选取的关键是确定钢箱梁的宽度和长度. 首先 ,建立实桥钢箱梁梁段有限元模型进行分析 , 了解结构应力分布特点 ;然后 ,以试验模型关键细节处的应力能反映实际结构应力为目标 ,根据试验模型 设计的一般原则 ,综合考虑各种因素 ,反复调整模拟钢箱梁的长度和宽度 ,最终确定合理的试验模型. 确定 的试验模型钢主梁长 8 500 mm ,宽 1 600 mm ,高 1 535 mm ,锚拉板尺寸与实桥设计相同. 试验模型的材质 、 板厚度 、焊缝施工工艺等与实桥结构相同.
( School of Civil Eng. , Southwest J iaotong University, Chengdu 610031, China)
Abstract: In order to assess the fatigue performance of the key connection details of tensile anchor p lates in cable2beam anchorage zones, a full2scale model fatigue test of the tensile anchor p lates of Zhanjiang gulf bridge was conducted. ANSYS, a finite element software, was used to analyze the structural behavior to guide the fatigue test. The analysis and test results show that the concentration of stresses at the end of fillet welds between the tensile anchor p late and the tensile anchor tube is obvious, and the maximum p rincipal tensile stress occurs in the stress concentration region. In addition, no fatigue cracks were found in the test under the condition of the fatigue load designed. This show s that the fatigue life of these connection details can satisfy the design requirement. Key words: tensile anchor p late; fatigue test; cable2beam anchorage
1 试验模型设计与制造
1. 1 试验模型设计 [ 4, 5] 因斜索倾角和索力大小不同 ,全桥共有 20种参数不同的锚拉板结构 ,须从中选出一种最具代表性的 结构进行研究. 根据全桥计算结果 ,活载作用下 MM13锚拉板索力增量最大 ,且此锚拉板结构在全桥具有 代表性 ,故选其作为试验对象. 此索梁锚固区最大设计索力 P = 4. 9 MN ,横梁端竖向剪力 Q = 0. 9 MN ,远 塔端水平轴力 N = 1. 0 MN ,锚拉板顺桥向水平倾角 α = 21. 823°,横桥向竖向倾角 β= 6. 803°.
Fa tigue Test of Ten sile Anchor Pla tes in Cable2Beam Anchorage Zones for Zhan jiang Gulf Br idge
R EN W eiping, Q IAN G S h izhong, W E I X ing, WAN G Chunhan
3 试验结果及分析
为了解试验模型的应力分布规律 ,给应变测点布置提
供参考 ,进行了有限元分析. 分析采用有限元软件 ANSYS,
四节点三维壳单元 shell181,试验模型局部单元离散如图
3所示. 有限元分析结果表明 :
(1) 锚拉筒与锚拉板连接焊缝末端 、锚拉板开槽圆弧
倒角处 (A , B 区 )存在较严重的应力集中 ,应力最大值出
第 42卷
撕裂 ,也是一种非常危险的缺陷. 因为在循环拉应力作用下 ,断续的单个层状撕裂很快扩展 、聚合 ,形成一 条大裂纹 ,可能使结构突然破坏 [3 ]. 该桥桥面加强板采用抗层状撕裂钢 ,通过疲劳试验了解其在循环荷载 作用下的性能也是研究内容之一.
图 1 湛江海湾大桥锚拉板式索梁锚固型式 Fig. 1 Tensile anchor p late in the cable2beam anchorage zones of Zhanjiang gulf bridge
由于试验模型总体尺寸较大 ,不能放入试验加载框架内直接加载 ,因此设计了加载横梁 ,利用加载横 梁的一个反力点施加荷载. 为方便加载 ,设计了锚固基座与支撑立柱 ,将钢主梁倾斜放置 (钢主梁轴线与 地面夹角为 68. 177°) ,使斜索中心线与地面垂直 ,总体布置如图 2所示. 试验时 ,应考虑加载横梁变形和 板件间隙等产生的位移量 ,如果位移过大 ,可能导致试验机加载频率过低 ,甚至无法加载.
广东湛江海湾大桥为双塔双索面钢箱梁斜拉桥 ,跨径为 120 m + 480 m + 120 m ,全桥共有 112 根斜 索 ,主梁为全焊钢箱梁 ,索梁锚固型式为锚拉板式. 这是我国首次在大跨度全焊钢箱梁斜拉桥中采用锚拉 板式索梁锚固结构. 该索梁锚固结构的特点 ,是将一块厚钢板作为锚拉板 ,在锚拉板上部开槽 ,槽口内侧焊 接在锚筒外侧 ,斜拉索穿过锚筒并用锚具锚固在锚筒底部的锚垫板上 ,锚拉板底部焊接在主梁外腹板上的 钢箱梁顶面 ,如图 1所示. 这种锚固方式传力路径明确 ,构造简单 ,施工 、检查和维修方便 ,但部分区域应力 明显集中 ,一些关键构造细节的疲劳强度还有待研究 [ 1, 2 ]. 为确保结构安全 ,给设计 、施工和后期维护提供 指导 ,对该桥锚拉板式索梁锚固结构进行了足尺模型疲劳试验.
现在该区域 ,最大主拉应力为 39. 63 M Pa;
wenku.baidu.com
(2) 沿锚拉筒与锚拉板连接焊缝 ,应力由下向上 (沿
斜索中心线方向 )逐渐减小 ,焊缝上端部主拉应力已经降 至约 10. 00 M Pa;
图 3 有限元计算模型 Fig. 3 The 3D finite element model
(3) 锚拉板中部主要受拉 ,应力相对均匀 ;
湛江海湾大桥锚拉板式索梁锚固区疲劳试验
任伟平 , 强士中 , 卫 星 , 王春寒
(西南交通大学土木工程学院 , 四川 成都 610031)
摘 要 :为评估湛江海湾大桥锚拉板式索梁锚固结构关键构造细节的疲劳性能 ,对该结构进行了足尺模型疲劳 试验. 为指导疲劳试验 ,了解结构受力特性 ,用通用有限元软件 ANSYS对结构进行了分析. 结果表明 ,锚拉板与 锚拉筒之间的连接焊缝下端部应力集中明显 ,最大主拉应力出现在该区域 ;在设计疲劳荷载作用下 ,该结构关键 构造细节处均未发现疲劳裂纹 ,结构疲劳性能满足设计要求. 关键词 :锚拉板 ;疲劳试验 ;索梁锚固结构 中图分类号 : U441. 4 文献标识码 : A
试验模型主要由钢主梁 、锚拉板 、锚固基座和支撑立柱 4个部分组成 (图 2 ( b) ). 由于运输条件限制 , 4个主要部件在中铁山桥集团分别加工 ,然后运至实验室进行组焊. 锚拉板是试验研究的主要对象 ,制造 工艺流程为 :
(1) 锚拉板 、锚垫板 、锚座板 、肋板及锚拉管采用数控切割机精确下料 ; (2) 精确下料后用赶板机赶平 ,严格控制各构件的平面度 ; (3) 对焊接坡口 、锚座板和锚垫板孔等进行机加工 ; (4) 组焊 、修整锚拉管 ; (5) 将锚拉管组焊在锚拉板上 ; (6) 组装并焊接锚拉板加劲肋 ,完成锚拉板主体结构制造. 实验室组装时 ,为保证锚拉板与钢箱梁顶板在水平方向和竖直方向的夹角 ,首先根据夹角大小加工出 有一定坡角的定位板 ,并在顶板放样 ,确定锚拉板与钢箱梁顶板的连接边线 ,然后沿边线焊接一定数量的 定位板 ,使锚拉板与定位板密贴 ,从而保证锚拉板的安装精度. 试验证明 ,该方法制造精度高 、操作方便 ,为 实桥锚拉板与桥面加强板在预拼现场的组焊提供了经验.
关键测点布置如图 4 所示. 为测量试验模型的应力 分布 ,共布置了 97个测点 ,全部为三向应变花. 测点主要 布置在关键连接焊缝附近 、应力集中较严重的区域和钢
第
42卷 第 1期 2007年 2月
西 南 交 通 大 学 学
JOURNAL OF SOUTHW EST J IAOTONG
报 UN IVERS
ITY
Vol. 42 No. Feb. 2007
1
文章编号 : 025822724 (2007) 0120049206
(4) 由于截面面积逐渐变大 ,锚拉板下部应力明显下降 ,多数区域的主拉应力降到 20. 00 MPa以下 ;
(5) 锚拉板底部右端圆弧过渡区 (C区 )及 D 区也存在一定程度的应力集中.
3. 1 静力试验
疲劳试验前进行了静力试验 ,主要了解模型各部件加载后位移的变化 、应力分布和测点工作状况 ,对
图 2 疲劳试验模型总体布置 Fig. 2 General layout of the fatigue test model
第 1期
任伟平等 :湛江海湾大桥锚拉板式索梁锚固区疲劳试验
51
1. 2 试验模型制造 焊接细节的疲劳强度与焊缝施工工艺和施工质量密切相关 ,模型制造要对钢 (焊 )材质量 、焊接工艺 和焊工技能等进行控制 ,尽可能使各构件受力后按照预期发生变形 ,而不因局部约束产生二次效应 ,这是 使结构疲劳性能达到最好状态的根本措施.
试验模型的荷载状况和边界条件等进行校核. 静力试验荷载为疲劳试验荷载的最大值 ( 810 kN ) ,荷载分
52
西 南 交 通 大 学 学 报
第 42卷
级为 : 50 kN → 202 kN →354 kN →506 kN → 658 kN → 810 kN →658 kN →506 kN →354 kN →202 kN →50 kN.
收稿日期 : 2005210228 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50278079) 作者简介 :任伟平 (1979 - ) ,男 ,博士研究生 ,研究方向为钢桥疲劳与稳定 ,电话 : 13882185860, E2mail: renwp888@163. com
50
西 南 交 通 大 学 学 报
2 试验荷载
疲劳荷载幅值及对应的循环加载次数是工程结构疲劳寿命评估的重要参数. 我国相关设计规范对桥 梁构件疲劳荷载谱的计算没有明确规定 ,仅在《公路桥涵钢结构及木结构设计规范 》( JTJ025—86 )中指 出 ,验算结构的疲劳强度时 ,应根据桥梁实际行车情况 ,选用实际经常发生的荷载组合中的车辆荷载进行 计算. 根据湛江海湾大桥的设计交通状况 ,参考 BS5400, AASHTO 和 Eurocode 3等相关国际规范对桥梁设 计疲劳荷载的规定 [ 6～8 ] ,通过荷载历程计算 ,可求得在桥梁设计寿命 ( 100 a)内与 MM13 锚拉板相连斜索 承受的设计疲劳荷载频谱值. 运用 M iner线性累积损伤理论 ,即可确定试验模型 200万次循环加载对应的 等效疲劳设计荷载幅值为 760 kN.
试验模型选取的关键是确定钢箱梁的宽度和长度. 首先 ,建立实桥钢箱梁梁段有限元模型进行分析 , 了解结构应力分布特点 ;然后 ,以试验模型关键细节处的应力能反映实际结构应力为目标 ,根据试验模型 设计的一般原则 ,综合考虑各种因素 ,反复调整模拟钢箱梁的长度和宽度 ,最终确定合理的试验模型. 确定 的试验模型钢主梁长 8 500 mm ,宽 1 600 mm ,高 1 535 mm ,锚拉板尺寸与实桥设计相同. 试验模型的材质 、 板厚度 、焊缝施工工艺等与实桥结构相同.
( School of Civil Eng. , Southwest J iaotong University, Chengdu 610031, China)
Abstract: In order to assess the fatigue performance of the key connection details of tensile anchor p lates in cable2beam anchorage zones, a full2scale model fatigue test of the tensile anchor p lates of Zhanjiang gulf bridge was conducted. ANSYS, a finite element software, was used to analyze the structural behavior to guide the fatigue test. The analysis and test results show that the concentration of stresses at the end of fillet welds between the tensile anchor p late and the tensile anchor tube is obvious, and the maximum p rincipal tensile stress occurs in the stress concentration region. In addition, no fatigue cracks were found in the test under the condition of the fatigue load designed. This show s that the fatigue life of these connection details can satisfy the design requirement. Key words: tensile anchor p late; fatigue test; cable2beam anchorage