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有限元分析有限元分析钢构桥钢构桥疲劳疲劳引起引起的变形的变形 W M 金罗迪斯 赵元 摘要摘要 在 20 世纪 80 年代中期之前建成的焊接钢板梁桥经常容易因为疲劳开 裂而出现桥面变形 然而 通过桥梁设计规范可知预测二次应力不是解决问题的 方法 本文介绍了了一种用网缠住两个箱梁腹板的有限元分析法 在本研究中进 行的模拟程序提供了有用的方法 可应用于确定形变的大小应力 以确定裂缝 发展的趋势 并评估维修方案的有效性 结果表明在裂纹起始点有严重应力集中 找到正弯矩区裂缝并连接的修复方法在是可行的 但是 在负弯矩区使用的连接 是不令人满意的 因此去除多余的桁架构件是必需的 应力范围可以比的恒定振 幅疲劳阈值少一半 如果按提及的方法改进疲劳开裂是不会复发的 数字对象标识数字对象标识 10 1061 美国土木工程协会 1084 0702 2003 8 259 数据库数据库关键词关键词 有限元方法 桥梁 钢 疲劳 开裂 修复 桥梁 箱梁 简介简介 由堪萨斯州的焊接钢桥可以看到疲劳引起的失真是导致开裂的主要问题 通常 出现裂纹的位置在横向结构的底板隔膜 框架纵梁通过控制连接加劲肋 如图 1 所示 美国国家公路运输协会标准的桥梁设计规范中阳离子的影响在 1985 年 之前是不需要加强连接筋和桁架板直接的的附件 因此 一个突然的刚度的变化 发生在小的凹陷之间的连接梁腹板和加劲肋的端 在 1984 年当这个网的间隙区 域的处于很高的二次应力加载时 急哦导致部分平面失真引起的开裂 无论裂缝 沿的的水平中分面的焊缝或从垂直加劲肋端网的焊缝发展 最后都会向下传播到 马蹄形 自 1989 年以来 堪萨斯运输部所需焊接或螺栓连接加强筋都需要桁材 带板 这政策变化有力地减少了平面疲劳裂纹出现的频率 然而 在某种程度上 许多 1989 年以前设计的桥梁焊板梁已经发展了裂缝 1 教授 民间 环境 和建筑部 工程 堪萨斯大学 2006 年学到大厅 劳伦斯 KS 66045 电子邮件 roddis ku edu 2 民间 环境及建筑系博士候选人工程 堪萨斯大学 2008 年学到大厅 劳伦斯 KS 66045 电子邮件 yuanzhao ku edu 注 直到 2004 年 2 月 1 日草开放讨论 单独的讨论必须提交论文 延长 的截止日期 1 个月 提出书面的请求必须由 美国国家公路运输协会管理编辑 对于这篇论文手稿已经提交审查可能于 2002 年 1 月 7 日出版于 2002年 11 月 19 日批准 本文件是桥梁工程学报 卷第 8 第 5 的一部分 2003 年 9 月 1 日 美国土木工程协会 国际标准期刊编号 1084 0702 2003 5 259 266 18 00 美国国家公路运输协会的设计代码中不强调不同的负荷所致的疲劳所引起 的平面变形 除非有适当的有限元分析或相关领域进行测试 二次应力也不可因 为梁桁材带板和网交叉连接筋在复杂的三维结构 相互作用 在一些独特的桥梁 中由于此处的几何形状和相对刚度不同 许多实验研究已在进行旨在调查疲劳源 和修复少数点平面失真 Fisher 在 1990 年展示了获得的实验室数据 显示非刚 性网的抗疲劳等效美国国家公路运输协会所规定的数值 二次实验由 Fisher 在 1987 Koob 在 1985 Stallings 在 1993 年分别完成发现腹板间隙应力在高于 疲劳极限外仅十分之一毫米的平面地方 2001 年 Roddis 和 Zhao 研究了不同维 修策略和实现 并将可用方法的详细信息进行汇总 三种最常用的修复方法是 1 停止在裂纹两端钻孔 2 连接加劲梁和桁材带板 3 拆卸连接在加强筋直接的 部分减少在腹板间隙突然的刚度变化 图图 1 1 平面变形 图图 2 2 桥横断面 本文以堪萨斯运输部的桥为个案研究在梁连接处失真引起的裂缝 一个两级 地板桁架有限元建模被用于获得小型网裂缝发的应力发展趋势 通过适当的地板 桁架建模了解梁的相互作用 观察得到得到平面疲劳裂纹是怎么样深入发展的和 哪种修复方法应被推荐为这座桥的继续的使用 案例研究案例研究 为研究选择的这座桥建于 1977 年在美国 它是两个箱梁 主梁没有斜交 的地板桁架纵梁系统 如图 2 所示 这是那个时代堪萨斯运输部典型的几个上 部结构为焊接中厚板梁类型的设计 车行道宽度为 12 2 米 包括两个 3 7 米 的行车道 在西边面的路肩为 3 0 m 东侧的路肩为 1 8 米 地板桁架的深度从 1 7 m 变化到 3 7 米 两个主梁长 536 m 包含 11 跨连续跨度和 7 跨带铰链 的跨度原计划是一个典型梁跨度 10 跨 图 3 所示和其相应箱梁高程如图 4 所 示 斜侧向支撑在所示的图 3 中水平面下弦杆横向底板桁架 这一水平支撑有 时被称为风桁架 所有钢板的屈服强度为 256 MPa 预计每年平均日交通是 1999 年 27300 辆 2019 年 36000 辆 中 重型卡车出现的概率分别为 4 7 和 5 3 到 1994 年底 11 跨梁在水平面或马蹄在中间的地板桁架梁连接处出现了裂 缝 所有的裂缝都发生在小型网接近梁顶凸缘 5 的地方 裂缝在梁的正 负弯矩 区 桥墩没有裂纹出现 这里和对梁腹板两侧加强筋设计满足承载要求 虽然梁 的设计假设是非复合式的作用 顶梁的实际上是嵌入在混凝土板 这样做可防止 他从网下面旋转 梁的是缺少约束的 自由的横向移动 因此 观察到的裂纹都 位于这座桥的上翼缘板 这也是最常见的其他堪萨斯运输部桥发生畸变引起的疲 劳裂纹的位置 图 3 原计划 10 跨 图 4 主梁标高 为了防止裂纹的进一步增长同时保持桥梁的正常使用 1998 年进行了一个 结构维修 除了那些桥墩 所有的地板桁架都要修复即边是其中有些没有发先疲 劳裂缝的 修复的方法在 10 跨地板桁架的不同位置如图 6 所示 修理相同的 模式也适用于其他跨 图 7 显示了修理细节 1 具体位置在在水平面或马蹄形裂缝 在裂纹尖端人工钻 25 毫米直径的 孔 阻止裂纹的传播 图图 5 5 裂缝 a 内测 b 外侧 图图 6 6 修复的位置 2 在正弯矩区在梁顶上翼缘板是受压 网间隙和加劲肋顶部上翼缘板之间用 加强板连接上翼缘有 7 8 毫米的焊缝 3 在哪里主梁顶 凸缘的负弯矩区跨度 10 表示桥的典型的结构布局和是在 紧张 新的 19 毫米加劲板被添加到因而被选为详细的研究 计算模型有关 3D 微分研究结构的行为 加载路径的这一结构 导致出的平面变形以作为卡车加载 面板 纵梁 桁架 连接 梁腹板加劲肋 来计算现有的纵向加劲肋相交 自 从桥梁修复以后没有新的裂缝发展 然而 修复的长期效应仍然是一个问题 因 为直接导致平面失真的原因至今仍未消除 此调查案例情况下 研究了两个现有 的有效修复桥的方法 等提出新的修复方法 可以减少疲劳应力裂纹的位置 我 们的目标是降低水平应力的大小 或者修复后在网和腹板间隙区不再有新裂缝的 发展 图图 7 7 用于桥梁维修 8 图图 8 8 桁架模型 建模过程 10 跨是代表的桥梁典型结构布局 因此 选取作详细研究 计算模型捕捉相关 的三维微分变形量和相对刚度 研究了结构的行为 结构加载的路径 发光二极 管导致平面失真可以被定义为汽车荷载 桥面板 纵梁 桁架结构 连接加强 班 梁腹板 为了计算弹性元件 在这些桁架构件直接连接到加劲梁上 桥梁断 面图被拆分为两个标准的框架模型如图 8 所示 桁架的分析结果 然后应用有限 元分析法模型来解决网的缺口应力 首先两步交替进行加载从汽车荷载到纵梁如图 8 所示 桥面板被当做一个刚 性连续梁建模 被支撑在梁和竖梁上 梁加载通过最重传动轴的或者后车轴的 HS15 疲劳车 详细说明来自现有的钢桥的疲劳评价 AASHTO1990 在光滑路面上 个别车轮负载 10 额外的增加被认为是在分析过程中考虑到的影响 卡车是在巷 道内移动由 0 61 m 增量 从最大的可访问位置的右边到最大接触的位置的左边 总共 16 的负载的情况下 边缘的距离d是 0 61 m 的加载情况下 1 和约 9 76 m 加载的情况下 16 纵梁的反应为每个负载的情况下支撑 P 1 P 3s 然后被施加 到模型在图的桁架内力计算 图图 9 9 荷载施加的有限元模型 图图 10 10 网格和边界条件 加载路径从纵梁向桁架如图 8b 中所示 在成员 MK NK 和 NL 的队伍里获 得了通过桁架的分析 然后准备好应用到连接加劲肋上 以荷载传递过程 相当 于支持反应 Rmx Rmv Rnx Rny 等效支持反应 作为外荷载 在相应的位置 分配的有限元模型的节点 概要如图 9 所示 桁架弹簧刚度研究从有限元模型 分析得到的提前发现反应的相应的节点由于施加单元位移沿每个轴 在图 8 中描述的离散模型包括以下两个近似值 1 事实上桥面板并不只是 由梁和纵梁支持如图 8a 所示 纵梁刚度小于主梁的刚度 因此 负载由纵梁进 行计算应小 2 只有纵梁反应得到图 8a 转带入到图 8bfor 桁架荷载 没有梁反 应的影响 虽然这些载荷看似只关系到梁平面弯曲 他们间接地促进平面失真 通过梁变形失真 事实上 主梁截面也偏向下的荷载路段 所以相对垂直的方向 横梁与纵梁之间的是小于如图 8 所示 实际桁架杆件的内力 因此 也应小于计 算 基于这两个方面 前负荷路径建模的方法是保守的 先前描述的分析程序 本研究使用 STAAD Pro 3 1 进行研究 本软件的前 后处理器更人性化的 框架分析 在加载路径的调查的第三骤五步研究从桁架构 件梁腹板间隙 通过有限元方法完成 利用计算机程序 ANSYS 5 6ansys Inc 卡农斯堡 宾夕法尼亚州 只有那些组件 如图 4 所示的两个矩形使用有限元素 建模 新型 FM1 代表地板桁梁连接在正弯矩区 FM3 和模型代表了那些在负弯矩 区这两个型号的切的长度是等于地板桁架间隔 6 9 m 在长度 3 45 单独的连接 筋每边的一半 所有的平板凸缘 骨架肋板 焊缝采用 8 节点砖基础元素建模 图 10 概要的显示了单元格边界条件应用到模型 因为上面凸缘是由混凝土路面 的约束 所有的自由度固定在凸缘的上表面节点 图 3 所示的横向桁架连接到梁 腹板接近底板中间地板桁架 稳定的支撑梁在水平面上在这一点上 因此 底部 凸缘分节点在梁切割边缘也假呈固定 新型 FM1 有大约 18000 个单元和 33000 个节点 新型 FM3 大约有 26000 个单元和 46000 个节点这两个模型单元格大小被 控制在 5 毫米范围内 特别是 在网的裂缝区域 网格尺寸需要精确 5 毫米以 下为了捕捉应力集中的影响 图图 1111 网裂缝的疲劳应力 网裂缝的疲劳应力 所有 16 负载情况下 进行了 有限元结构分析 正如预期的那样 在网间隙区 域观察到显著的应力集中 这些地点的具体在图 11 节点应力是最感兴趣的研究 并解释了裂纹的萌生 节点 A 到 E 是在内侧和节点对 ATO 与梁腹板外侧 它们被 用来描述网间隙长度内的应力变化如图 12 模型 FM1 网的间距应力轮廓为加 载隐藏元素的案例 节点 E0 的 E10 和 E0 到 E10 25 毫米间距 在 250 毫米的 连接筋每侧焊缝的脚趾 这些节点的需要检查的应力分布 沿水平中分线网的焊 缝 水平位移使得横向 x 轴线挠度偏向节点 A 图图 12 12 模型 FM1 网间距变形和应力 图 12 显示的模型 FM1 网间距变形和应力在工况 7 内部网 MX 在图 12 指 的是模型中的应力最大点 在焊缝根节点 A 在最高的x和y方向强调和节点适 应焊趾的具有最高的z和先发制人原则方向强调 断开连接的加强筋的梁腹板和 导致裂纹沿垂直焊点形式 13a 轮廓表明短期的腹板间隙深度内的径向应力的变 化 从一个高的拉伸应力在底端到顶端 高压缩应力 在拉伸应力顶端 最大值 yA 点压力是的那些原因短裂缝图 13b 所示 最大值z在应力认可机构负责的垂 直网站开始节点裂缝沿加劲到网焊接缝 13 c 图 14 所示y 应力梯度的加载 情况下 7 双方的 FM1 模型网间距 对称性可以对中间网表面和中间网间隙长度 这表明腹板间隙进行双曲平面失真 图 15 显示 y 沿凸缘网的应力分布焊缝的 加载相同的情况下外部网一边的脚趾 平面失真影响区域是在 125 毫米的连接筋 每边 强调此之外在这个区应力迅速下降到零 最高点y在强调节点及改制发展 区一角的裂纹沿堀原因方法网凸缘焊缝 如概要图 13d 中所示 图图 1313 裂纹的形成 其他 15 个负载的情况下具有相同的应力分布模式为负载的情况下 7 但各 个集中应力的影响较少 FM1 和 FM3 模型 为网的间距强调加载的情况下的 7 的最高水平并总是被假定为应力疲劳评定的范围 应力轮廓的模型 FM3 所有 16 平均负载 类似的模型 FM1 除了降低幅度峰值应力 图图 14 14 模型 FM1 网的差距应力梯度 图图 15 15 FM1 焊接点处 y 轴应力变化 参考文献 美国国家公路运输协会 1990 指导规范阳离子对现有钢桥