现代桥梁钢结构的安全与耐久 PPT课件

1、1,现代桥梁钢结构的安全与耐久,范文理 2012年10月,2,引言,桥梁钢结构是现代工业文明和先进技术的载体，桥梁结构有收藏历史文化痕迹的特点。追求结构的耐久性是桥梁工程师的社会责任。 随着后消费主义时代的到来，片面追求桥梁的几何尺度和异化外型寻求所谓的视觉冲击，使桥梁被奢侈化，有使用功能和目的被淡化的倾向。 桥梁钢结构耐久性的根本是减少和控制结构的损伤，完整性设计的理念是以损伤力学为基础，确定损伤容限，设计低损伤的焊接接头和耐久的构造细节，更理性地评定结构的安全和耐久性。 高强度材料并非完美无缺，缺口敏感会引发焊接接头的脆断和高强钢丝、高强度螺栓以应力腐蚀为主导的延迟断裂。 强肋弱板，板先于

2、肋退出工作。是钢结构带肋板稳定设计的正确理念。,3,1.回顾与思考,1.1 起点 1874年美国在密西西比河上建成双层双线公铁 两用Eads桥，采用桁拱结构，最大跨度158.6m，使 用了含有Cr1.5%-2%，抗拉强度约为685MPa的低 合金钢，卷成452mm的铆接钢管做主要受力构件， 至今已服役136年。,4,1882-1889年，英国建成Forth Bridge 铁路桥， 跨度L 521m悬臂桁架，下弦采用铆接钢管 2-3600mm，用钢量约54，000t，至今服役已达 121年。,5,1927年，美国建成世界上第一座全焊钢桥， 1935年日本在国内建成首座焊接桥。 1937年，首座由

3、中国人设计施工的钱塘江公铁 两用大桥建成，跨度66m，采用比利时生产的Cr- Cu钢，抗拉强度Rm=520MPa，同年美国旧金山金 门大桥建成，跨度1280m，时为世界第一。,6,1.2 发展,冶金轧制及热处理技术的进步，热械控制工艺（TMCP)的应用使钢材的强度，韧性，可焊性，冷成型性和耐腐蚀性有了极大的提高，出现了高性能钢材（HPS)和桥梁高性能钢（BPS），促进了长跨桥梁钢结构的轻型化和可持续发展。 正在兴建的意大利墨西拿海峡桥主跨达3300m，按四车道加双线铁路，寿命200年设计。法国米劳高架桥总成2460m，用钢量43000t，采用HPS460ML，箱梁板厚80mm，索塔板厚120m

4、m，日本新建的东京湾三号跨海大桥采用160+440+160m桁架结构，BPS500和BPS700，钢的总用量达到20000t。,7,8,在经济高速发展的环境下，中国最近成功建成的京沪高铁大胜关长江大桥跨度为336m，6线公铁两用，采用国产Q420QE钢；苏通长江公路大桥采用跨度为1088m 的斜拉桥，它们的建成充分体现了中国桥梁设计的最高水准。 国产低合金高强度钢（HSLA)和桥梁结构用钢已构成系列。目前，我国的年钢产量超过5亿吨，桥梁钢结构的年产量超过200万吨。,9,美国，日本及欧共体的HPS钢性能对比,10,日本含镍高等耐候钢的典型力学性能,11,12,1.3 问题,焊接技术的应用促进了

5、桥梁钢结构的发 展，也随之带来了新的问题。焊接热过程使 接头区域的金属微观组织发生了改变的同 时，产生了焊接缺陷和残余应力，降低了结 构的止裂能力和抗疲劳性能，因而，对焊接 结构的材料选择，细节设计以及焊接工艺提 出了更高的要求。,13,1.4 教训,焊接桥梁应用以来，世界各国因焊接接头而引发 的重大事故值得我们不断总结经验，吸取教训。 比利时：1939-1940年，Albert运河上连续发生焊 接桥梁的断裂事故； 德国：1971年，莱茵河Koblenz钢箱梁桥悬臂施工底板失稳事故； 韩国：1994年，圣水大桥吊杆断裂事故；（15年） 日本及德国正交异性钢桥面板的疲劳损伤 。 日本：2010年

6、，生月大桥斜杆疲劳断裂。（19年）,14,德国Koblenz大桥坍塌,15,損傷箇所,生月大橋損傷,損傷状況,道路概要,損傷箇所,平戸側,生月側,北側,南側,割(B)実測結果長41cm,箱型,北側,P7,P6,P5,P4,至 生月方面,至 平戸方面,L=960m,L=212.5m,割(A)実測結果長51cm,割(A),割(),16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,中国：建设及服役过程中有不同类型的结构事故和病害发生，值得我们的关注和深思。 正交异性板结构的疲劳裂纹,64m正交异性板钢箱梁示意图,28,裂纹,第类裂纹,第类裂纹（角焊缝连接失效）,裂纹,裂纹,第类

7、裂纹,第类裂纹,纵肋与横肋/横隔板的连接部位裂纹,29,裂纹,裂纹,纵肋与面板纵向连接焊缝开裂,纵肋与横肋连接部位弧形缺口处横肋腹板开裂,30,主跨310m分体式钢箱梁横断面示意图,31,横隔板开裂,32,横隔板开裂及加固,焊趾处开裂及加固,33,横隔板开裂后的止裂及加固,34,888m钢箱梁横断面示意图,桥面板顶面纵向裂纹,纵肋与桥面板角焊缝纵向开裂,35,横隔板过焊孔部位纵肋与桥面板 角焊缝纵向开裂,过焊孔下端横隔板母材开裂,嵌补段裂缝,横隔板过焊孔上端焊缝开裂,36,桥面板疲劳裂纹,37,局部构造处的疲劳裂纹,38,加固细节,39,我国第一座钢箱梁斜拉桥(288m)疲劳裂纹形态,U肋对接

8、接头处的疲劳裂纹,40,U肋纵向焊缝引发的桥面板疲劳裂纹,41,1380m钢箱梁悬索桥正交异性板疲劳裂纹,42,构造细节不当引发的疲劳和断裂,桥面板横向焊缝收缩而导致横梁连接破坏,43,造桥机后拉杆断裂,44,桥面系构造示意,拱桥立面布置图,45,焊趾水平开裂，端部往腹板延伸,连接角钢竖向开裂或断裂,46,螺栓破断，角钢断裂,47,焊趾水平开裂，螺栓孔处腹板斜向开裂,横梁加劲肋下端腹板开裂,48,焊缝冷裂纹和层状撕裂,十字接头处母材的层状撕裂,49,焊缝冷裂纹,50,环境断裂（应力腐蚀）,支座锚杆的应力腐蚀断裂,51,管节点疲劳断裂,钢管砼拱节点相贯线焊缝开裂,52,插入式板-管节点的疲劳开裂

9、,53,54,插入式板-管节点断裂,55,结构及节点失稳,56,造桥机主桁受压弦失稳破坏,57,节点板面外失稳破坏,58,母材缺陷引发的焊接结构开裂,钢管拱母材近缝区开裂,钢箱梁腹板工地焊接 接头母材近缝区开裂,59,风致疲劳,吊杆风致疲劳断裂,60,61,大跨度钢拱桥长吊杆风致效应,62,柔性索体的应力腐蚀断裂,63,拱桥吊索应力腐蚀断裂,64,应力腐蚀断裂形态,65,1.5 思考,采用焊接结构既要保证安全可靠耐久，又 要具备服役过程中的可修复性。 母材的性能焊接接头的性能； 增大焊角尺寸提高接头承载能力； 焊缝无损检测完全控制了焊接缺欠； 复杂的细节构造结构创新性； 增大安全系数提高安全度

10、； 损伤是造成桥梁钢结构短寿的元凶，它使结构功能退化，最后导致破坏。,66,2. 桥梁焊接结构的完整性设计,2.1 损伤和损伤容限 桥梁是一个复杂的结构系统，它的破坏不能简 单归结为承载力不足，而是由于局部损伤不断发展 所致。因而影响桥梁安全和耐久的根本原因是损伤。 所有结构从材料、加工过程到服役期不可避免 地会在内部和表面形成和发生微小缺陷，在一定外 部因素（荷载、温度、腐蚀等）作用下这些缺陷不 断扩展和合并，形成宏观裂纹，对结构造成损伤而 导致破坏，这些导致材料和结构力学性能劣化的微 观结构变化称为损伤。,67,损伤容限的概念是承认结构在使用前就带来初始缺陷，但必须通过有效性设计的方法把这

11、些缺陷或损伤在结构使用期间内控制在一定范围内保证结构使用的安全与耐久性。 2.2 桥梁钢结构的损伤 随着高强度材料的使用所带来的材料对损伤的敏感性； 损伤往往不改变材料固有的基本力学性能但却明显改变了破坏形式，弹塑性材料呈现脆性破坏的形式，同时表现在低能量破坏，尽管应力水平不高，危险性却特大；,68,损伤分类： 材料损伤材料生产过程中带来的缺陷（分层非金属夹杂物等冶金缺陷）； 材质改变焊接热过程使焊接接头区附近母材（HAZ）强度提高，塑性韧性下降； 工艺损伤加工制造过程，施工过程的缺陷如焊接缺陷，特别容易由不合理的结构设计相结合而发生（钢管拱节点采用肋钣加劲，导致疲劳寿命降低2/3）； 结构不

12、良细节结构细节设计先天不足而带来的严重几何应力集中；JSSC（日本钢协）桥梁钢结构焊接裂纹统计结果表明：因结构和细节设计不良占47，因加工工艺占31，因材料占17，因其它占5，可见细节设计的重要性。【AWSD1.1 中对吊耳附连件构造细节了（临时或永久性设计）可能引发疲劳裂纹的提醒，应引起充分的重视】,图中裂纹在焊缝端部向构件延伸,69,2.3 焊接结构的完整性设计 设计要点 设计条件使用要求，使用环境与使用寿命； 关键构造细节简捷的传力系统，安全耐久的构造形式，方便制造、安装和使用维护的设计； 材料及焊接接头选择材料强度与韧性，焊接接头设计，焊接性和可检测性分析； 制造工艺控制焊接工艺评定，

13、焊接应力与变形控制，焊接缺陷预防； 疲劳与断裂控制荷载与环境条件，损伤容限分析，疲劳寿命评估； 使用与维护要求损伤监测，维修规程，完整性评价； 经济合理的工程造价。,70,完整性评定方法 英国中央电力局（CEGB）R6评定方法（2000 带缺陷焊 接结构的完整性评定：Kr=K/Kmax ；Lr=P/PL(y),Kr 脆性破坏敏感参数； Lr 塑性破坏敏感参数； K断裂驱动力； Kmax断裂阻力； P作用载荷； PL带缺陷的极限载荷；,欧洲统一工业结构完整性评定标准（SINTAP2000) 、英国标准委员会（BS7910-1999）及美国API579推荐评定方法的应用。,71,3. 焊接接头,3

14、.1 焊接接头的力学性能不均匀性,72,3.2 焊接接头工作应力的非均匀性 （应力集中）,结构上的几何应力集中和焊缝缺口敏感,73,对接接头应力分布,74,3.3 焊接接头力学性能的匹配,75,3.4 拘束应力对T形和十字接头的影响,76,77,3.5 焊缝内部缺陷对疲劳强度的影响,78,3.6 焊后处理对疲劳强度的改善,79,焊趾修磨,80,焊趾锤击,81,焊趾TIG重熔（钨极惰性气体保护重熔）技术,82,83,84,85,86,87,3.7 正交异性板的构造细节设计,88,89,90,日本“公路钢桥的疲劳设计指南”对正交异性 板的构造细节设计有如下要求： U肋和桥面板的焊接接头,91,纵肋

15、穿过横梁的构造细节及焊缝要求,92,横梁拼接处的细部构造要求,93,容易发生疲劳裂纹的部位,94,3.8 相贯连接管节点的疲劳设计,相贯节点主腹杆交汇类型：X、T、Y、N、K、KT等,95,受力特点 主管受力复杂，除轴向力外，尚有环向应力和径向应力。主腹管连接处几何应力集中严重，HHS的SFC可高达1020.破坏形式不再以单一形式表现，主要有冲剪、局部变形及弦管失圆（0.03d）形式，其承载力效率低为突出特点，在交变载荷作用下，受弦管刚度的影响，管节点的抗疲劳能力几乎是各类结构中最低的。,HHS节点的应力集中,96,HSS节点的S-N曲线,对所有类型的管节点（T.Y.K)通用。IIW，ECCS

16、，AWS建议 对应力幅S采用热点应力，但也可以使用名义应力或冲剪应 力。对同一构造细节AWS、API、DNV、ECCS、IIW，各家 提供的SN曲线略有差别。,97,插入式板-管节点在相关疲劳规范中属于强度很低的细节，谨慎使用。,钢管砼节点的疲劳设计 CFST节点由于砼的作用有效提高了节点刚度（径向变形仅为HSS的1/10)，应力集中现象得到了缓解。 试验证明：带肋板的相贯节点，由于应力集中和焊接缺陷，疲劳裂纹在腹管与肋板连接处发生，疲劳破坏转移到腹管上，其寿命仅为不设肋板的1/3。显然，节点不设肋板，是保证节点抗疲劳性能的重要条件。 管节点相贯连接，焊缝类型设计应按部份熔透型或全熔透型要求。,98,相贯连接焊缝的焊后修磨处理，是保证节点耐劳性能的必要条件。 CFST相贯节点的疲劳容许应力= =50MPa； 疲劳寿命的确定以疲劳裂纹穿透管壁为准； CFST采用板式节点的连接形式（熔透焊缝）， 疲劳容许应力=80 Mpa。,Y.T.K钢管混凝土管节点 S-N曲线示意,99,验证性疲劳试验,100,相贯线处支管端应力集中系数比较,101,管节点疲劳裂纹扩展过程及寿命的判别,102,4. 带肋板的稳定,对带肋板，当小板块的临界应力等于整板 的临界应力时，所需要的加劲肋理论刚度， 即为临界刚度；实际采用的加劲肋刚度要比 理论的临界