钢箱梁焊缝强度及疲劳验算

1、榕江大桥全桥结构仿真分析专题报告分报告(五)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目 录1 概述11.1 工程概况11.1.1 项目概况11.1.2 主要技术标准11.1.3 主桥设计方案21.2 专题研究内容51.3 分报告内容和计算分析方法62 分析参数和计算方法82.1 技术标准和规范82.2 计算参数82.2.1 材料性能参数82.2.2 计算荷载92.3 疲劳计算方法113 钢箱梁标准段焊缝疲劳性能分析143.1 计算模型143.2 计算结果分析153.3 本章结论19i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

2、能分析1 概述1.1 工程概况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

3、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：

4、六车道高速公路（2）荷载标准：公路-级（3）设计速度：100km/h（4）桥梁设计基准期：100年（5）桥面宽度：33.5m，其中行车道宽2（33.75）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34738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）

5、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

6、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

7、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AE、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

8、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。图1-4 混凝土

9、索塔一般构造图4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

10、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斜拉索全桥共2412=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

11、的综合减振方案。1.2 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

12、。3.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

13、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。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

14、间杆系有限元模模型中难以精确模拟，导致焊缝的受力复杂，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。2 分析参数和计算方法2.1 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

15、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2.2.1 材料性能参数1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/

16、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屈服强度(MPa)345热膨胀系数0.0000122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1.95105MPa。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

17、：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=

18、0.05 。4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

19、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8

20、28 kN。2.3 疲劳计算方法1. 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AASH

21、TO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：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（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

22、应力幅（考虑活载冲击效应）作为设计荷载效应。（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 = 0.751.05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

23、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（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：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：表2.2 参数A取值细节类别A1011（MPa3）A82.0B39.3B20.0C14.4C14.4D7.21E3.61E1.28（2）AASHTO L

24、RFD 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P11.0020.853或者更多0.803 钢箱梁标准段焊缝疲劳性能分析3.1 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

25、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。表3.1 钢箱梁标准段疲劳验算部位编号

26、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应力分布图3-3图3-8为各验算点在一个