现代钢桥疲劳问题分析.pptx

1疲劳引言对于在使用寿命期内要承受大量循环车辆荷载的钢桥构件来说,疲劳性能是设计时需特殊关注的一个重要问题。20世纪60年代,欧洲公路网得到了高速发展,由于当时对公路桥梁疲劳认识不足,在规范中没有规定进行抗疲劳设计,建造的钢桥中出现了许多设计不合理的焊接接头,在随后日益繁忙和加重的交通运输载荷下,许多焊接钢桥已经出现了疲劳裂纹。特别是美国的PointPleasant桥因疲劳和断裂而突然破坏的重大事故,更加引起了人们对钢桥疲劳的关注。2疲劳引言眼杆腐蚀疲劳而倒塌的美国银桥3影响焊接钢桥疲劳性能的因素造成疲劳破坏的内因是钢材的材性和局部拉应力的集中程度,外因则是应力幅值和循环次数。钢桥焊接接头的疲劳强度主要由两点决定:①裂纹萌生过程,它取决于焊缝的焊趾和焊根处的局部缺口应力状态(焊接接头的几何形状和焊接缺陷引起的应力集中等);②裂纹扩展过程,它取决于裂纹的应力强度因子。绝大多数焊接接头的疲劳裂纹产生在焊趾处,其疲劳寿命主要由裂纹扩展速率决定,由断裂力学,显然接头的最大缺口应力和应力强度因子决定其疲劳强度。4焊接钢桥疲劳设计疲劳设计最为关心的两个问题:构造细节焊接钢桥构件通常采用细节分类法进行疲劳评定。应力幅值钢桥焊接结构的疲劳强度主要与应力幅值有关,平均应力大小的影响可以忽略。因此在进行钢桥焊接结构的疲劳设计时,只需考虑活荷载和冲击作用所产生的应力范围。5焊接钢桥疲劳设计如果设计寿命期内,构造细节处所产生的应力范围全部低于疲劳极限,则其具有无限疲劳寿命。如果有应力范围大于构造细节分类的疲劳极限,这时应根据等效应力范围评定疲劳寿命。6我国现代钢桥设计特点设计变得更复杂(考虑结构型式、跨度、景观等因素);较厚的高强度焊接结构比薄的较低强度铆接、栓接用的更普遍(目前钢桥正在由栓焊结构向全焊发展);结构构造细节和制造工艺变得更复杂(焊接整体节点);结构承受的交变荷载增大(汽车轴重的加大、超载等);结构设计安全系数由于计算变得更精确而降低(大型通用有限元分析软件、专业通用计算软件等,如ANSYS、MAC等)7钢桥疲劳存在的问题由于我国钢桥建设起步较晚,钢桥疲劳设计大都是借鉴英国、美国和日本等国家的成功经验,还没有对钢桥的疲劳问题进行系统深入的研究。特别是对于现代钢桥中的一些新型结构型式,相关设计规范中没有此类细节分类,使设计工程师无法对构造细节的疲劳抗力进行评定,而且对于复杂结构不同几何形状所产生的应力集中会明显影响其疲劳寿命,因此可能会导致大型复杂焊接钢桥结构构件疲劳和断裂的概率增加。8焊接钢桥疲劳性能薄弱部位焊接接头的疲劳性能与接头形式、焊缝类型、加载情况和制造工艺以及缺陷状况等密切相关。钢桥疲劳设计时,下列可能的疲劳裂纹起始处要加以考虑:焊缝的根部或焊趾;角;冲孔或钻孔;剪开边或锯开边;高接触压力下的表面;张紧索的根部。除上述细节设计的情况外,疲劳裂纹也可能由冶炼、制造和施工等其它原因引起:如材料不连续(如空洞、夹渣)或焊接缺陷;由机械损伤而形成的刻痕或擦痕;腐蚀处。9疲劳荷载谱和疲劳应力谱钢桥疲劳设计时,不应把静强度设计荷载作为疲劳荷载已经得到了统一的认可,BS5400、AASHTO、EURCODE等均对疲劳荷载进行了明确规定,但我国公路桥梁规范对此还没有规定。公路桥梁疲劳荷载谱确定面临的问题:(1)我国幅员辽阔,地区经济差别较大,因此不同地域、不同等级道路的日交通车流量差别较大。如目前东部沿海发达地区和西部欠发达地区同等级公路的车流量最大有10倍之多。(2)货车在车辆总数中所占的比例有一定的差别,如运煤、运矿通道,其货车交通量所占比例较高,如正在建设的坝陵河大桥的,我们经大量调查分析,其货车所占比例高达30%左右;而对于普通的城市桥梁,其货车所占比例可能很低,如对重庆菜园坝长江大桥的大量调查分析,其货车所占比例仅为10%左右。10疲劳荷载谱和疲劳应力谱(3)货车在不同车道的分配比例。应进行大量调查确定货车在主车道和超车道的分配比例。(4)还有多车问题,如同一车道多辆重车同时出现的比例,不同车道多辆车同时出现的比例。疲劳应力谱是疲劳荷载在结构部位引起的应力效应,是对结构进行疲劳寿命评定的主要依据。应力谱须由应力历程的分析求得,目前桥梁中通常采用雨流法或泄水法进行应力历程分析,求得各应力幅值及其相应的循环次数。对于焊接钢桥复杂连接部位的应力分析,可以通过有限元分析求得。如果条件许可,在实桥的适当位置布置应变片,则可以求得更符合实际的应力。此外,还必须考虑制造偏差、强制变形和扭曲、面外变位等产生的此应力的影响,因为焊接钢桥中部分疲劳开裂就是由此所引起的。