钢箱梁焊缝强度及疲劳验算

榕江大桥全桥结构仿真分析专题报告 分报告分报告 五五 钢箱梁焊缝强度及疲劳验算钢箱梁焊缝强度及疲劳验算 广东潮惠高速公路有限公司 上海贝英吉工程咨询有限公司 2015 04 20 i 目 录 1 概述 1 1 1 工程概况 1 1 1 1 项目概况 1 1 1 2 主要技术标准 1 1 1 3 主桥设计方案 2 1 2 专题研究内容 5 1 3 分报告内容和计算分析方法 6 2 分析参数和计算方法 8 2 1 技术标准和规范 8 2 2 计算参数 8 2 2 1 材料性能参数 8 2 2 2 计算荷载 9 2 3 疲劳计算方法 11 3 钢箱梁标准段焊缝疲劳性能分析 14 3 1 计算模型 14 3 2 计算结果分析 15 3 3 本章结论 19 榕江大桥全桥结构仿真分析专题报告 六 关键部位疲劳受力性能分 析 1 1 概述概述 1 1 工程工程概况概况 1 1 1 项目概况 榕江大桥是广东省潮州至惠州高速公路 潮汕机场进场路共线段 的重 要节点工程 大桥方案受到两岸大堤 通航净空 机场控高 河床断面形式及 水文情况 防撞 防洪 抗震 抗风 耐久性 景观和环保等条件的复杂影响 桥型方案约束条件多 且相互制约 设计工作难度较大 初步设计中对 6 种矮塔斜拉桥方案 变截面钢 砼混合梁固结体系矮塔斜拉 桥方案 变截面钢箱梁支承体系矮塔斜拉桥方案 变截面钢箱梁双索面半飘体 系矮塔斜拉桥方案 等截面混合梁矮塔斜拉桥方案 等截面钢砼叠合梁矮塔斜 拉桥方案 等截面混合梁高低塔矮塔斜拉桥方案 进行了技术 经济比选 最 终选定了结构体系上最合理的主跨 380m 的等截面钢 砼混合主梁斜拉桥方案 在各项设计控制条件中 机场控高和通航净空成为限制榕江大桥主桥设计 的最主要条件 在现有条件下 榕江大桥索塔较矮 桥面以上的索塔高度只有 50m 左右 索塔高度与跨径的比例介于传统斜拉桥与矮塔斜拉桥之间 称为低 塔斜拉桥 这种桥型是最大特点是斜拉索与水平面间的夹角较小 斜拉索的水 平分力较大 拉索利用率比传统斜拉桥要低 索塔受到的水平力作用也较大 较为新颖的低塔斜拉桥桥型结构形式 以及钢 砼混合主梁 桁腹式钢箱 梁 整体钢锚箱式索塔锚固区等构造形式的采用 使得榕江大桥主桥在设计 施工 运营过程中体现出一系列新特性 设计难度较大 1 1 2 主要技术标准 1 公路等级 六车道高速公路 2 荷载标准 公路 级 3 设计速度 100km h 榕江大桥全桥结构仿真分析专题报告 六 关键部位疲劳受力性能分 析 2 4 桥梁设计基准期 100 年 5 桥面宽度 33 5m 其中行车道宽 2 3 3 75 m 6 设计洪水频率 1 300 7 主桥设计水位 最高设计水位 4 31m 国家 85 高程 下同 最高设计通航水位 2 89m 最低设计通航水位 0 64m 8 通航净空尺度 主航道净 347 38 米 单孔双向通航 9 地震动峰值加速度 0 183g 50 年 10 10 抗震设防标准 榕江大桥抗震设防类别为 A 类 抗震设防目标 E1 地震作用 中震 重现期约为 475 年 一般不受损坏或不需修复可继续使用 E2 地震作用 大震 重现期约为 2000 年 可发生局部轻微损伤 不需修复或 经简单修复可继续使用 11 船撞力 主墩横桥向设计撞击力为 36MN 辅助墩横桥向设计撞击 力为 12 7MN 纵桥向防撞力取横桥向 50 12 抗风设计标准 使用阶段设计重现期为 100 年 基本风速 39 4m s 施工阶段设计重现期为 30 年 基本风速 33 0m s 1 1 3 主桥设计方案 1 总体设计 总体设计 本桥采用双塔混合梁斜拉桥 跨径布置为 60 70 380 70 60 640m 中跨 及次边跨主梁采用流线型扁平钢箱梁 边跨采用流线型扁平混凝土箱梁 钢混 结合点设置在辅助墩墩顶处 中跨及边跨均布设斜拉索 斜拉索采用准辐射形 布置 双索面 在主梁外侧锚固 索塔采用门式框架索塔 塔柱为钢筋混凝土 构件 上 下横梁均为预应力混凝土构件 横梁底缘皆呈圆弧线形的变高度结 构 塔柱断面形式考虑了结构受力需要和建筑景观效果的要求 全桥采用半漂浮体系 在桥塔下横梁处设置竖向球型钢支座 纵向活动 横桥向设带有横向静力限位功能的 E 型钢阻尼器装置 为控制顺桥向位移和地 震效应 纵向同时设置带静力限位功能的粘滞阻尼器装置 过渡墩和辅助墩设 榕江大桥全桥结构仿真分析专题报告 六 关键部位疲劳受力性能分 析 3 置竖向球型钢支座 纵向活动 横桥向设带有横向静力限位功能的 E 型钢阻尼 器装置 图 1 1 为主桥桥型布置图 图 1 1 主桥桥型布置图 2 主梁 主梁 榕江大桥主桥采用钢箱梁和混凝土箱梁的混合梁结构 钢混结合段设置在 边跨辅助墩墩顶位置附近 主梁钢箱梁部分采用带风嘴的整体式扁平流线型断面 其标准断面见图 1 2 钢箱梁全宽 38 7m 顶宽 34 7m 不含风嘴 底板宽 19 2m 梁高 3 5m 风嘴长度 2 0m 箱梁内设置 2 道桁架式中腹板 索塔两侧附近加强为实腹式中 腹板 间距 14m 斜底板同时兼底板 腹板的功能 拉索锚固于边腹板 根据构造不同 全桥钢箱梁划分为 A E O 和 J 共 7 种类型 39 个梁段 其中 O 梁段和 A 梁段为索塔附近无索区梁段 J 梁段为钢混结合梁段 长度为 12 11m 均在支架上安装 B 梁段为过渡梁段 C 梁段为长 15m 的标准梁段 D 梁段为长 12m 的标准梁段 E 梁段为主跨跨中合龙段 长度为 10 5m 均采 用桥面吊机安装 图 1 2 钢箱梁标准断面图 混凝土梁外形同钢箱梁外形保持一致 混凝土箱梁标准断面如图 1 3 所示 采用单箱三室截面 由于钢箱梁与混凝土箱梁铺装层高度不同 为保证结构整 榕江大桥全桥结构仿真分析专题报告 六 关键部位疲劳受力性能分 析 4 体外观高度相同 混凝土箱梁梁高采用 3 459m 沿中心线处 混凝土箱梁断 面全宽 38 7m 顶面宽 36 7m 底面宽 19 2m 综合边跨压重 预应力布置等因 素考虑 混凝土梁段顶板厚度均采用 30cm 底板厚度采用 28cm 腹板厚 50cm 图 1 3 混凝土箱梁标准断面图 3 索塔 索塔 索塔采用双柱门型框架塔 塔柱为钢筋混凝土结构 下横梁和上横梁为预 应力混凝土结构 图 1 4 为索塔一般构造图 自承台顶到塔顶 塔柱总高度为 94 35m 塔顶高程为 95 85m 桥面以上高度为 51 06m 榕江大桥全桥结构仿真分析专题报告 六 关键部位疲劳受力性能分 析 5 图 1 4 混凝土索塔一般构造图 4 基础 基础 1 主塔墩基础采用钻孔灌注桩 每个承台下设24根 3 0m 2 5m的变 截面钻孔灌注桩 梅花形布置 按支承桩设计 桩尖进入中风化或微风化花岗 岩 桩基根据持力层岩面高差 设计成不等桩长 承台平面呈圆端哑铃型 由 两个分离的承台通过系梁连接而成 承台采用有底钢套箱施工 2 辅助墩基础采用钻孔灌注桩 每个承台下设8根 2 5m的钻孔灌注桩 矩形布置 按摩擦桩设计 辅助墩位于水中 墩身设计时考虑船撞因素 采用 整体式矩形承台 分离式墩柱 墩身采用薄壁空心墩 承台采用有底钢套箱施 工 辅助墩采用防撞护弦进行防撞 3 过渡墩基础采用钻孔灌注桩 按摩擦桩设计 潮州侧承台下设14根 2 0m的钻孔灌注桩 梅花形布置 惠州侧承台下设14根 2 0m的钻孔灌注桩 矩形布置 桩基根据桩周土层层面高差 设计成不等桩长 潮州侧过渡墩采用 六边形承台 惠州侧过渡墩承台平面呈哑铃型 由两个分离的承台通过系梁连 接而成 过渡墩承台采用开挖基坑法施工 5 斜拉索 斜拉索 全桥共 2 4 12 96 根斜拉索 最长约 186 3 米 最大规格为 PES7 301 根据索力分为 PES7 139 PES7 151 PES7 163 PES7 187 PES7 211 PES7 223 PES7 241 PES7 253 PES7 283 PES7 301 共 10 种规格 疲劳应力幅值 均为 200MPa 减震措施方面 本桥采用阻尼器 气动措施并用的综合减振方 案 1 2 专题研究内容专题研究内容 针对榕江大桥主桥方案的设计要点 全桥结构仿真分析专题包括以下几个 方面的研究内容 1 基于全桥三维模型的施工仿真分析基于全桥三维模型的施工仿真分析 建立全桥空间杆系有限元模型 模拟实桥施工顺序和使用状态下的荷载环 境 对本桥合理成桥状态和成桥索力提出优化意见 评价结构的极限承载能力 榕江大桥全桥结构仿真分析专题报告 六 关键部位疲劳受力性能分 析 6 和运营状态下的静力性能 建立结构全施工过程的仿真分析和优化 重点关注 边跨混凝土主梁的抗裂性能 对结构的动力性能和整体稳定性能进行研究 2 钢混结合段局部应力分析钢混结合段局部应力分析 建立钢混结合段的空间实体有限元模型 模拟使用阶段的多种最不利受力 工况 对钢混结合段的空间应力分布特性和构件的局部稳定性能分别进行研究 并对局部构造进行相应优化 3 索塔及索梁锚固区局部应力及疲劳性能分析索塔及索梁锚固区局部应力及疲劳性能分析 建立索塔及索塔锚固区的空间实体有限元模型 模拟使用阶段的索力最大 的受力形态 对索塔锚固区钢锚箱的空间应力分布特性和构件的局部稳定性能 分别进行研究 并对混凝土桥塔的抗裂性能进行分析研究 对混凝土索梁锚固 区应力分布及受力安全性进行验算 关注重点部位的疲劳性能 对钢梁索梁锚 固区的钢锚箱 含焊缝 或耳板 含焊缝 的应力 疲劳强度进行验算 以对 钢锚箱或耳板进行优化 并提出优化建议 4 钢箱梁空间应力分布特性钢箱梁空间应力分布特性 建立桁腹式钢箱梁标准段的精细化空间实体有限元模型 模拟使用阶段的 多种最不利受力工况 对钢箱梁标准段的空间应力分布特性和构件的局部稳定 性能分别进行研究 并对局部构造进行相应优化 研究钢箱梁顶底板的剪力滞 现象 并对施工过程 包括桥面吊机 风等 作用下箱梁应力及稳定性进行研 究 最后 对钢箱梁标准阶段的关键构造的疲劳性能进行研究 优化焊缝的构 造设计 5 钢箱梁焊缝强度及疲劳验算钢箱梁焊缝强度及疲劳验算 在钢箱梁空间应力分析的基础上 对焊缝的强度和疲劳特性进行专门的研 究 对焊缝的设计提供设计优化意见 主要的研究内容包括钢箱梁的关键焊缝 强度验算和疲劳验算 对钢箱梁焊缝设计和应力分布结果提出优化意见 1 3 分报告内容和计算分析方法分报告内容和计算分析方法 本册为分报告 五 本册为分报告 五 分报告内容为钢箱梁焊缝强度及疲劳验算 分报告内容为钢箱梁焊缝强度及疲劳验算 由于钢箱梁承受直接承受全桥活载和索力 并且钢箱梁构造复杂 桥面板 桁腹板及加劲肋的连接方式在全桥空间杆系有限元模模型中难以精确模拟 导 榕江大桥全桥结构仿真分析专题报告 六 关键部位疲劳受力性能分 析 7 致焊缝的受力复杂 存在着应力集中的现象 为保证钢箱梁标准段焊缝受力安 全 合理 疲劳性能足够 有必要对该部分进行实体有限元模拟计算分析 参照榕江大桥主跨标准段细部构造设计 建立桁腹式钢箱梁标准段的空间 实体有限元模型 重点研究关键结构焊缝在各种不利荷载作用下受力安全 并 进行相关疲劳验算 对焊缝的设计提出优化意见 榕江大桥全桥结构仿真分析专题报告 六 关键部位疲劳受力性能分 析 8 2 分析分析参数参数和计算方法和计算方法 2 1 技术标准和规范技术标准和规范 分析中采用的规范分为基本规范和参照规范两类 其中基本规范包括 1 公路工程技术标准 JTG B01 2003 1 公路桥涵设计通用规范 JTG D60 2004 2 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D62 2004 3 公路斜拉桥设计细则 JTG T D65 1 2007 4 公路桥涵钢结构及木结构设计规范 JTJ 025 86 1 公路桥梁抗风设计规范 JTG T D60 1 2004 1 公路工程质量检验评定标准 JTG F80 1 2004 1 公路工程结构可靠度设计统一标准 GB T 50283 2008 参照规范包括 1 钢结构设计规范 GB50017 2011 2 BS5400 钢桥 混凝土桥及结合桥 西南交通大学出版社 2 2 计算参数计算参数 2 2 1 材料性能参数 1 结构钢材 结构钢材 钢箱梁采用 Q345qD 钢材制造 钢材屈服强度及其相关容许应力随板厚变 化根据 GB T 714 2008 规定执行 表 2 1 结构钢材性能表 钢材种类Q345qD 弹性模量 E MPa 210000 剪切模量 G MPa 81000 泊松比0 3 轴心容许应力 MPa 200 弯曲容许应力 MPa 210 剪切容许应力 MPa 120 榕江大桥全桥结构仿真分析专题报告 六 关键部位疲劳受力性能分 析 9 屈服强度 MPa 345 热膨胀系数0 000012 2 斜拉索 斜拉索 采用 s7mm 平行钢丝索 抗拉标准强度 1770MPa 抗拉设计强度 708MPa 弹性模量 1 95 105MPa 根据索力不同采用十种规格的斜拉索 2 2 2 计算荷载 在结构整体和局部计算中考虑以下荷载 1 恒载 恒载 一期恒载 钢材容重 79 7kN m3 钢箱梁自重需根据钢箱梁节段材料重量 统计表对模型自重进行修正 二期恒载 包括桥面铺装 防撞护栏 栏杆 过桥管线的重量 沥青混凝 土容重取 24kN m3 二期恒载总重为 54 kN m 梁段压重 图纸未见详细压重布置 根据设计单位提供的文字说明施工 2 斜拉索索力 斜拉索索力 咨询中采用的施工索力根据合理成桥状态优化分析得出并采用 索力与压 重的差异可能导致成桥状态与设计单位存在一定的差别 3 活载 活载 汽车荷载 公路 I 级 双向 6 车道 横向折减系数 0 55 偏载作用 考虑六车道偏载作用 分别建立六条偏心车道 模拟实际的横 向加载位置 自动计入偏载作用 汽车冲击力 通过 Midas 软件的特征值分析求得结构的一阶基频 再根据 公路桥涵设计通用规范 第 4 3 2 条的规定计算得到汽车冲击系数 u 0 05 4 温度作用 温度作用 计算中考虑以下温度作用效应 1 结构整体升降温 榕江大桥全桥结构仿真分析专题报告 六 关键部位疲劳受力性能分 析 10 根据 公路桥涵设计通用规范 JTG D60 2004 4 3 10 条温热地区公路桥 梁结构的有效温度标准值以及苏通大桥设计经验 钢结构整体升降温考虑为 26 23 混凝土结构整体升降温考虑为 20 2 主梁梯度温度效应 由于我国规范缺少对钢箱梁上直接连接铺装层的钢梁梯度温度效应的规定 因此本桥钢箱梁梯度温度效应参考英国 BS5400 规范进行取值 见图 2 1 3 索 塔 梁温差 根据 公路斜拉桥实施细则 5 2 5 条 斜拉索与桥塔和主梁之间的温差取 为 10 4 桥塔左右侧截面温差 取为 5 图 2 2 钢箱梁梯度温度效应示意图 5 基础不均匀沉降 基础不均匀沉降 主塔基础沉降按 0 02m 考虑 过渡墩和辅助墩基础沉降按 0 01m 考虑 6 风荷载 风荷载 根据 公路桥梁抗风设计规范 JTG T D60 1 2004 的相关规定进行取值 使用阶段设计重现期为 100 年 基本风速 39 4 m s 与车辆荷载进行组合时 基本风速取为 25 m s 主梁静风荷载采用梁单元均不荷载模拟 桥塔承受的静 风荷载采用梁单元荷载模拟 荷载值根据塔柱不同高度处的风速和断面尺寸分 段计算 斜拉索承受的静风荷载等效加载于索梁和索塔锚固点处 7 汽车制动力 汽车制动力 榕江大桥全桥结构仿真分析专题报告 六 关键部位疲劳受力性能分 析 11 根据 公路桥涵设计通用规范 JTG D60 2004 第 4 3 6 条的规定 计算 得汽车制动力为 1656 kN 每个桥塔承受的汽车制动力为 828 kN 2 3 疲劳疲劳计算计算方法方法 1 分析思路分析思路 我国现行钢桥规范为上世纪 80 年代颁布的 公路钢结构和木结构桥梁设计 规范 该规范中对钢结构疲劳性能的评判指标仍以应力比为主要参数 但是目 前工程界普遍认为钢构件的疲劳寿命主要与应力幅有关 因此该规范的相关规 定已经不适合评价现在新建的钢结构桥梁的疲劳性能 考虑到目前我国尚未颁 布新的钢桥规范 因此参考美国 AASHTO 规范中关于疲劳计算的相关规定 对 榕江大桥主要部位的钢结构疲劳性能进行分析 分析中 采用大型有限元计算软件 ANSYS 12 1 针对各主要部位分别建立 局部板单元有限元模型 并根据运营状态下的车辆荷载和活载索力幅等参数计 算疲劳应力幅 最后根据 AASHTO 规范的相关规定对各关键部位的进行常幅疲 劳性能验算 对结构的疲劳性能做出评价 其中 钢箱梁标准段进行有限寿命常幅疲劳性能验算 索塔锚固区和索梁 锚固区由于较为重要 因此进行无限寿命常幅疲劳性能验算 2 验算准则验算准则 AASHTO LRFD 2004 版第 6 6 1 2 2 条规定 对于荷载产生的疲劳效应 各 结构细节应满足 nfF 其中 为活载效应的组合系数 为活载 考虑活载冲击效应 产生 f 的应力幅 为名义疲劳强度 式中左侧即为设计疲劳应力幅 计算方法 nF 如下 式中右侧的名义疲劳强度的计算方法如下 3 设计疲劳应力幅设计疲劳应力幅 1 AASHTO LRFD 2004 版第 6 6 1 2 条规定 在钢桥局部构件的疲劳设 计中 应将活载应力幅 考虑活载冲击效应 作为设计荷载效应 榕江大桥全桥结构仿真分析专题报告 六 关键部位疲劳受力性能分 析 12 2 AASHTO LRFD 2004 版第 3 4 1 1 条规定 疲劳设计极限状态计算中 车辆荷载效应和车辆荷载冲击效应的荷载组合系数均采用 0 75 榕江大桥的设 计冲击系数为 0 05 因此 设计疲劳应力幅 0 75 1 05 活载应力幅 3 活载应力幅由疲劳车加载计算获得 AASHTO LRFD 2004 版第 3 6 1 2 2 条规定 标准疲劳车中后轴重 145kN 见下图 图 2 3 标准疲劳车示意图 4 对于钢箱梁标准段疲劳验算 计算中直接将车轮荷载转化为节点荷载 施加在实体有限元模型中 计算中模拟车辆匀速行驶通过计算区域 计算得到 各细节部位的活载应力幅 模拟车速为 90km h 一个标准加载历程时长 280ms 行驶距离 7m 5 对于索塔锚固区和索梁锚固区疲劳验算 计算中将车辆荷载施加在全 桥杆系有限元模型上 计算得到斜拉索的活载索力幅 将此索力幅施加在锚固 区局部实体有限元模型上 计算出各细节部位的活载应力幅 4 名义疲劳强度名义疲劳强度 1 AASHTO LRFD 2004 版第 6 6 1 2 5 条规定 名义疲劳强度计算公式 如下 榕江大桥全桥结构仿真分析专题报告 六 关键部位疲劳受力性能分 析 13 1 3 n A F N 其中 A 值根据细节构造分类查表 2 1 得到 N 为设计寿命期内的应力循 环次数 SL NADTT 设计寿命一辆车产生的应力循环次数 表 2 2 参数 A 取值 细节类别 A 1011 MPa3 A82 0 B39 3 B 20 0 C14 4 C 14 4 D7 21 E3 61 E 1 28 2 AASHTO LRFD 2004 版第 3 6 1 4 2 条规定 单车道日均卡车流量 ADTTSL 取值为 ADTTSL p 卡车流量比例系数 ADT 上式中 卡车流量比例系数表示卡车占所有车辆的比例 见 p 为单车道 卡车流量系数 见 表征桥梁同方向有多条车道时对交通量的折减 ADT 为 单车道日均车流量 表 2 3 卡车流量比例系数 公路类别卡车流量比例系数 乡村州际公路0 20 城市州际公路0 15 其它乡村公路0 15 其它城市公路0 10 表 2 4 单车道卡车流量系数 p 可通行卡车的车道数P 11 00 20 85 3 或者更多0 80 榕江大桥全桥结构仿真分析专题报告 六 关键部位疲劳受力性能分 析 14 榕江大桥全桥结构仿真分析专题报告 六 关键部位疲劳受力性能分 析 15 3 钢箱梁标准段焊缝疲劳性能分析钢箱梁标准段焊缝疲劳性能分析 3 1 计算模型计算模型 大跨径钢箱梁在运营过程中的疲劳问题主要表现为正交异性桥面板及与其 直接连接的构件在反复车轮荷载作用下的疲劳问题 因此对钢箱梁标准段的疲 劳性能分析采用桥面板体系简化模型 图 3 1 为计算中采用的桥面板体系简化模型 模型节段长 9m 宽 18 35m 横向只模拟半个桥面 包括四块横隔板和一个节段接缝 模型中精确 模拟了钢箱梁的变厚度顶板 顶板加劲肋和外腹板 对于横隔板和内腹板则进 行了简化 只保留了最上端与顶板连接的部分 边界条件 外腹板 内腹板 横隔板下端全部固结 图 3 1 钢箱梁标准段疲劳计算模型 验算部位 疲劳验算针对受重车车轮荷载影响较大的主要受力构件的焊缝 位置选取验算点进行计算 共计 6 各验算部位 见表 3 1 榕江大桥全桥结构仿真分析专题报告 六 关键部位疲劳受力性能分 析 16 表 3 1 钢箱梁标准段疲劳验算部位 编号位置 1顶板节段对接焊缝 2内腹板节段对接焊缝 3顶板 U 肋节段连接 4顶板和内腹板间焊缝 5顶板和横隔板间焊缝 6顶板和 U 肋间焊缝 横向加载位置 计算验算部位 1 3 5 6 的应力幅时 疲劳车的横向加载 位置为外侧重车到的中央位置 此时验算点也取在车轮作用点的正下方 计算 验算部位 2 4 的应力幅时 疲劳车的横向加载位置为内腹板的正上方 3 2 计算结果分析计算结果分析 图 3 2 为车轮荷载作用下钢箱梁疲劳计算模型的 Mises 应力分布情况 从 图中可见 车轮荷载的影响范围很小 在车轮与桥面板接触范围以外 应力水 平很快衰减到 5MPa 以下 车轮直接作用处的最大应力值为 45MPa 图 3 2 车轮荷载作用下的模型 Mises 应力分布 榕江大桥全桥结构仿真分析专题报告 六 关键部位疲劳受力性能分 析 17 图 3 3 图 3