1.1 新建背景工程(背景工程 )
某新建獨塔斜拉橋雙向八車道,主梁采用 PK斷面鋼箱梁,其標準斷面高 ,寬 ,頂3.58m 40.54m板厚 ,底板厚 ,橫隔板厚 ,加強16mm 14mm 12mm橫隔板厚 ,中縱腹板厚 ,邊縱腹板厚16mm 14mm,橫隔板間距為 。正交異性橋面系的縱14mm 3m向 U 肋斷面尺寸為 ,中300mm×280mm×8mm心距為 。 肋、橫隔板、頂板兩兩相交的焊600mm U縫喉高 。
1.2 服役背景工程(背景工程2)
某懸索橋雙幅十車道,主跨鋼箱梁高3.5m,單幅寬20.468m(不含風嘴);標準斷面的頂板厚16mm,底板厚14mm,邊腹板厚16mm,實腹式縱隔板厚16mm。正交異性橋面系的縱向 U肋斷面尺寸為300mm×280mm×10mm中心距 為600mm。橫隔板間距為3.0m,非吊點處橫隔板厚10mm(全橋單幅90道),吊點處橫隔板厚12mm(全橋單幅共27道)。U肋、橫隔板、頂板兩兩相交的焊縫喉高6mm。橫隔板與U肋交界處的弧形切口。
該橋于2006年建成通車。通車后交通量大,雙幅達9.18×10veh·d(以2013年8月6日~15日連續(xù)10d觀測結果為樣本);超載超限車輛相對較多,許多車單軸重超過25.5t,樣本周期內右幅橋(北行方向)實測最大車重為132.7t。重車道和快車道均存在超載現(xiàn)象(車道位置見圖3),其中重車道2超載現(xiàn)象最為明顯,6.3%的車輛超載。
正交異性橋面板鋼箱梁在國內外應用廣泛,但疲勞問題突出。其常見病害有6種頂板與縱肋焊縫位置開裂; 縱肋接頭位置焊縫開裂;肋間橋面板與橫隔板焊縫開裂; 腹板垂直加勁肋與面板連接焊縫開裂; U 肋與橫隔板連接焊縫處開裂; 遠離 U 肋焊縫下端的弧形切口起弧點附近區(qū)域橫隔板母材開裂。隨著疲勞研究的不斷深入、制造技術的不斷進步,疲勞細節(jié)的設計與規(guī)范規(guī)定得到了不斷改進。如:閉口縱肋與面板的焊接由 “貼面焊接”逐漸改進為熔透深度達到縱肋壁厚的75%或80%的焊接;取消縱肋與面板連接焊縫通過橫肋時的過焊孔;改進閉口縱肋連接嵌補段的鋼襯墊板的平整契合度;取消主梁腹板豎向加勁肋與頂板的連接等;頂板厚由(如虎門大橋 )增加到 14mm (如西堠門大橋),甚至16mm(如嘉紹大橋)或18mm(港珠澳大橋) 。上述方案使得產生前5種疲勞裂紋的概率大大減小,有的甚至完全消除。第6種疲勞病害位置(即與 U 肋鄰近的弧形切口處)橫隔板母材輪載應力為壓應力界傳統(tǒng)認知認為:壓-壓循環(huán)不會引起疲勞,也無需疲勞驗算形(或稱次應力)所致 。但橫隔板厚度薄、面外變形應力幅小,橫隔板弧形切口處母材疲勞不考慮膜壓應力幅影響,僅為面外反復變形所致的結論難以令人信服。相關規(guī)范打折(如6折)計算,而壓-壓循環(huán)時可不驗算疲勞 ”也存在邏輯上的不足。與“循環(huán)荷載下壓應力較大,拉應力接近0與不出現(xiàn)拉應力2種情形的疲勞性能不應存在突變”的常識相悖。疲勞驗算壓應力幅打折(如6折)考慮應可拓展應用到壓-壓循環(huán)。
事實上,機械工程領域已對金屬材料進行了壓-壓循環(huán)的疲勞試驗,發(fā)現(xiàn)了壓-壓疲勞現(xiàn)象和壓-壓對疲勞壽命的影響規(guī)律,并認為,壓縮塑性區(qū)(微?。┑男纬墒钱a生壓-壓疲勞的必要條件 [9]。這或許從另一角度說明,壓-壓循環(huán)疲勞驗算,壓應力幅打折具有合理性。新頒布的《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》(JTGD64—2015)(以下簡稱 《公路鋼橋規(guī)》)的正交異性橋面板疲勞驗算采用損傷效應系數(shù)、交通流量系數(shù)、設計壽命影響系數(shù)等,其取值未見嚴格論證,是否合理或在合理區(qū)間值得檢驗。前5種病害處治相對簡單和成熟,一般采用開坡口補焊或者打磨重熔或者切除連接,嚴重者再進行局部補強或改進鋪裝層。第6種病害即橫隔板弧形缺口疲勞裂紋,則可采用“弧形切口優(yōu)化”(裂紋較短者)或者“止裂孔 弧形切口優(yōu)化 補強鋼板”的加固方式(裂紋較長者)補強?!盎⌒吻锌趦?yōu)化”或者弧形切口形狀對疲勞的影響研究較多,本文不再詳述,將直接給出優(yōu)化后的弧形切口形式,并在此基礎上進行分析。提出了在正交異性鋼橋橋面上添加第2塊鋼板的加固技術,以提高其抗疲勞性能。然而,補強鋼板平面尺寸與厚度的變化對加固效果及附近區(qū)域應力影響未見相關報道。
本文擬結合 2 個背景工程(包括服役近 10 年的某橋),通過輪載應力分析和不同規(guī)范驗算比較,研究新頒布的《公路鋼橋規(guī)》正交異性橋面板疲勞驗算相關系數(shù)取值的合理性;通過服役背景工程的疲勞細節(jié)、交通載荷、病害特征、輪載應力結果等信息匯集,揭示橫隔板弧形切口處母材疲勞開裂機理;通過分析補強鋼板厚度、其邊緣距頂板和 U 肋的距離等對加固附近區(qū)域應力的影響規(guī)律,以及2種弧形切口形狀輪載應力結果的對比,確定合理的補強細節(jié)尺寸。
該橋經過9年左右的運行,發(fā)現(xiàn)了4類疲勞病害:橫隔板弧形切口處母材開裂,左幅箱梁(南行方向)82處,右幅箱梁(北行方向)39處,主要集中于重車道,位于車道輪跡線下方;縱隔板豎向加勁肋與橋面板的水平焊縫處開裂,全橋共12處。該病害由構造不合理造成,較合理的構造是將縱隔板豎向加勁肋上端切除(切除4~8cm長),使豎向加勁肋不與橋面板接觸; U肋與橫隔板連接焊縫處開裂,全橋共計5處。其中,下端圍焊焊趾處4處,豎向裂紋1處(發(fā)源于下端圍焊焊趾);U肋間橋面板與橫隔板焊接處開裂,全橋共計3處。后兩類病害數(shù)量少,發(fā)展慢,且與焊接質量有關,采取開坡口補焊或打磨重熔法處理即可。
橫隔板間距對畸變效應的影響。 首先,以單軸對稱矩形截面薄壁桿件為研究對象,假設其在反對稱荷載作用下翹曲位移和切向位移的分布函數(shù),考慮剪切變形的影響,利用最小勢能原理建立單位均布...
下面針對工程背景2,僅研究第1類病害的產生原因與補強方案。針對背景工程2第1類疲勞病害,根據(jù)經驗和定性分析,擬定下列6種補強方案進行比較,以選擇最優(yōu)方案。方案 A:弧形切口優(yōu)化,優(yōu)化半徑為35mm;方案B:弧形切口優(yōu)化 雙面補強鋼板,鋼板上部距離頂板65mm,厚度10mm;方案C:弧形切口優(yōu)化 雙面補強鋼板,鋼板上部距離頂板85mm,厚度10mm;方案D:直接雙面加補強鋼板,鋼板上部距離頂板85mm,厚度10mm,補強鋼板兩側邊緣到U肋的距離由方案C的30mm變更為10mm;方案E:將方案B的補強鋼板厚度改為4mm;方案F:將方案B的補強鋼板厚度改為2mm。補強鋼板與橫隔板之間采用高強螺栓連接,螺栓之間的容許間距均滿足《公路鋼橋規(guī)》中不小于3d0的要求(d0為螺栓孔直徑),且順內力方向或沿螺栓對角線方向至邊緣的最小距離不小于1.5d0。經檢驗,摩擦面抗滑移系數(shù)均滿足規(guī)范要求,能有效保證接觸良好且無滑移。
對象選取與荷載施加
計算選用有限元軟件 ABAQUS6.14進行。鑒于引發(fā)疲勞的正交異性橋面板輪載應力大、影響范圍小,可選取2組吊索(2組斜拉索)之間長度12m的鋼箱梁段作為對象。邊界條件為約束鋼箱梁兩端,一端約束節(jié)點3個方向平動自由度,另一端僅約束節(jié)點豎向位移。產生疲勞裂紋的主要原因為應力幅,其計算荷載采用《公路鋼橋規(guī)》中的疲勞車輛荷載模型 ??紤]橋面鋪裝的擴散效應,取輪載作用尺寸為0.3m×0.7m單元劃分
背景工程1的單元劃分
其鋼箱梁節(jié)段除關注部位外均采用板殼單元,關注部位(包括2道橫隔板,2個 U肋區(qū)間)采用實體有限元子模型。板殼單元區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.425m;實體單元區(qū)域平行板面網(wǎng)格尺寸為0.05m,重點關注部位平行板面網(wǎng)格細化到0.001m,橫隔板沿板厚度方向劃為4層。這種網(wǎng)格劃分,有限元結果已收斂。
背景工程2的單元劃分
其鋼箱梁節(jié)段除關注部位外均采用板殼單元。鑒于16~19U肋與橫隔板交叉連接部位出現(xiàn)疲勞裂紋較多(U肋編號見圖3,由超車道向慢車道依次編號),且疲勞裂紋多出現(xiàn)在10mm厚的非吊索處橫隔板上,16~19U肋與兩相鄰橫隔板交叉連接所包含部位(包括2道10mm橫隔板,4個 U肋區(qū)間)確定為關注部位,采用實體單元,其范圍長5m,寬2.4m。板殼單元區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.3m。
車輪荷載每次沿橫向移動100mm,即可得5個橫向加載工況;縱向工況1~7以150mm為間距進行車輛后移,縱向工況7~14以300mm為間距進行車輛后移,共14個縱向加載工況。以左后輪為參考輪,加載方式示意見圖10,其余輪載位置按實際輪距和軸距布置,以確定最不利加載位置,并按照《公路鋼橋規(guī)》,考慮車輪在車道上的橫向位置概率。
4.1 橫隔板弧形切口處母材輪載應力與抗疲勞特性
改進補強方案
(1)最不利應力結果
計算表明:橫向2、縱向5為最不利加載工況;各加固方案弧形切口處應力值均明顯降低,方案E加固效果最佳。按照疲勞壽命與應力幅的立方成反比的關系,方案 A的疲勞壽命延長至原來的4.96倍,方案 E的疲勞壽命延長至原來的17.12倍。在優(yōu)化弧形切口方案中,隨切口圓弧與U肋交點的切線與 U肋腹板的夾角減小,母材輪載膜壓應力幅值有所降低,此處限于篇幅,不予贅述。方案B的基于《公路鋼橋規(guī)》的驗算結果。由上可見:背景工程1和背景工程2補強方案B的《公路鋼橋規(guī)》疲勞驗算結論與鐵路規(guī)范驗算結論完全不同;背景工程2的《公路鋼橋規(guī)》疲勞計算壽命遠小于實際壽命,且實際交通載荷遠大于規(guī)范疲勞荷載;背景工程1的構造細節(jié)為目前通用等。據(jù)此,筆者初步推斷:《公路鋼橋規(guī)》的損傷效應系數(shù)取值或許偏大,這將使設計的材料耗費增加,其取值值得商榷。
(2)橫隔板弧形切口處母材的應力改善規(guī)律與受力模式
加固方案 B,C分別采用距離頂板65,85mm的補強鋼板,弧形切口處最大壓應力分別為-80.2MPa和-78.4 MPa僅相差1.8MPa可知采用2種距頂板不同高度的補強鋼板對弧形切口處的應力影響很小。
加補強鋼板后弧形切口處出現(xiàn)了2個應力集中區(qū)(圖13中的位置a和位置b),且均為受壓區(qū)。位置a位于弧形切口與補強鋼板邊緣交界處,位置b位于弧形切口起弧點附近。圖14表明:加固方案B,C中(補強鋼板厚10mm)位置a的最大壓應力比位置b大40MPa左右;加固方案E(補強鋼板厚4mm)中位置a和位置b的應力基本接近;加固方案F(補強鋼板厚2mm)中位置a的最大壓應力比位置b小18.5MPa。可知隨補強鋼板厚度減小,位置a的應力逐漸減小,位置b的應力逐漸增大;加固方案E(補強鋼板厚4mm)中位置a主壓應力為-67.2MPa,位置b主壓應力為-63.3MPa,兩位置應力基本接近,弧形切口處應力峰值最小,為最優(yōu)加固方案。
為進一步了解弧形切口處的受力模式,將橫隔板近荷載端表面稱為近端面,遠荷載端表面稱為遠端面。對各方案,荷載分別作用于縱向位置5(中后軸縱向對稱橫隔板加載)和縱向位置13(中軸位于兩橫隔板正中間)時弧形切口處3個面(中面、近端面、遠端面)的受力做比較。
計算表明:當中后軸縱向對稱橫隔板加載時,原設計與方案 A(弧形切口優(yōu)化后)3個面的應力差值基本為0,方案B~D(加補強鋼板后)在弧形切口與補強鋼板邊緣交界處20mm范圍內,由于板厚突變,原橫隔板母材的表面與中心面存在一定應力差值,其中方案B原板表面應力比中心面大20MPa左右,方案E表面應力比中心面大10MPa左右;當中軸位于兩橫隔板正中間時,原設計與方案 A(弧形切口優(yōu)化后)3個面的應力差值均在5MPa以內,方案B~D(加補強鋼板后)在弧形切口與補強鋼板邊緣交界處30mm范圍內原橫隔板母材的兩表面存在一定應力差值,方案B近端面與遠端面應力差值為19.6MPa,為主應力值的53.7%,方案E近端面與遠端面應力差值為9.55MPa,為主壓應力值的33.3%。
由以上分析可知:方案 A較原設計有較大應力改善,疲勞壽命可由原來的9年延長至80年;補強鋼板高度在一定范圍變化對弧形切口周邊應力影響不大;補強鋼板厚度宜取為 4mm,為原板厚的1/2.5~1/2(過厚,可能在補強板邊緣處母材上形成新的疲勞敏感點);原設計與方案 A弧形切口處因面外變形引起的應力均很小;加補強鋼板后在弧形切口與補強鋼板邊緣交界處因面外變形引起的應力相對較大,且隨鋼板厚度減小而減??;板厚突變處,即使是關于橫隔板中面的對稱載荷,沿板厚方向也有較大的面內應力差。
4.3 背景工程2各方案橫隔板與橋面板連接處輪載應力與抗疲勞特性
4.3.1 橫隔板與橋面板連接處的橫隔板焊趾位置橫向2、縱向1為各方案橫隔板與橋面板連接處橫隔板焊趾出現(xiàn)最大主拉應力的加載工況;橫向3、縱向1則為出現(xiàn)最大主壓應力與最大Mises應力的加載工況。采用距焊趾0.4d和1.0d的應力線性外推,即可得出各方案橫隔板上焊趾處的熱點應力值,見圖20。原設計遠端面上熱點應力為7.2MPa,近端面上為6.9MPa,切口形狀不變的方案D遠端面上熱點應力為8.4MPa,近端面上為7.9MPa,邊緣尚有一定距離的雙面加補強鋼板對該處應力幾乎沒有影響;方案B與方案C該處應力基本相等、方案E和方案F較方案B相應應力變化很小等也印證了這一結論;僅弧形切口優(yōu)化(增大半徑)的方案 A遠端面上焊趾處熱點應力為18.0MPa,近端面上為17.6MPa,較原設計增加了1倍以上,弧形切口半徑增大,橫隔板削弱,顯著導致了相應應力增大。原設計和6種加固方案橫隔板與橋面板連接處橫隔板上熱點應力都在20MPa以下,均滿足AASHTO:2010中的C級疲勞等級和中國規(guī)范要求。
4.3.2 橫隔板與橋面板連接處的橋面板焊趾位置橫向2、縱向1(既橫隔板正上方)為各方案橫隔
板與橋面板連接處橋面板受力最不利加載工況。橫隔板與橋面板連接處橋面板焊趾位置按上述方法線性外推所得頂面受拉應力(熱點應力)、底面受壓應力、各方案頂?shù)酌孀畈焕麘σ妶D21。由圖21可見,各方案橫隔板與橋面板連接處橋面板頂面主拉應力基本沒變,底面主壓應力有一定程度增加,但應力值都很小。均滿足 AASHTO:2010中的 C級疲勞等級和中國規(guī)范要求。
(1)《公路鋼橋規(guī)》疲勞驗算損傷效應系數(shù)取值或許偏大,將過多地增加不必要的材料耗費,其取值值得商榷。當然,來自歐洲規(guī)范(Eurocode3)規(guī)定的合理性尚有待更多實際橋梁正交異性橋面板橫隔板疲勞統(tǒng)計結果的驗證。
(2)橫隔板弧形切口處母材的輪載應力主要為膜壓應力;“輪載壓應力幅耗費壓-壓循環(huán)的橫隔板母材疲勞壽命,面外反復變形最終導致其疲勞開裂”的推論與“橫隔板與U肋焊接或者其熱加工在弧形切口遠離 U肋的起弧點附近引起了較大的殘余拉應力,從而使得輪載應力的壓-壓循環(huán),變?yōu)閷嶋H的拉-壓循環(huán)而引起疲勞破壞”推論,哪種更符合實際有待進一步研究。
(3)弧形切口形狀對橫隔板與U肋連接處及橫隔板母材輪載應力及其峰值影響較大;服役背景工程橫隔板弧形切口半徑10mm太小,需適度增大(如35mm),且其與U肋交點的切線與U肋腹板的夾角宜盡可能小。
(4)在服役背景工程中,橫隔板母材裂紋較短者(優(yōu)化后,裂紋自然切除)可采用“弧形切口優(yōu)化”的處治方案;較長者可采用“止裂孔 弧形切口優(yōu)化 雙面補強鋼板”的處治方案。
(5)補強鋼板對補強以外稍遠部位(如板厚2~3倍以上)的應力影響可忽略。補強鋼板尺寸可全橋統(tǒng)一:其邊緣距頂板可取65mm(應覆蓋裂紋全長),距 U肋宜取30mm(原板厚的3倍,若太近,會導致橫隔板與 U肋連接焊縫處應力增大);厚度宜取為4mm(原板厚1/2.5~1/2,若過厚,將在補強鋼板邊緣處母材上形成新的疲勞敏感點)。 2100433B
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橋梁結構中,端橫隔梁和中橫隔梁的計算 請問在橋梁結構中,端橫隔梁和中橫隔梁分別應如何計算? 提問者: 匿名最佳答案如果要進行橋梁橫隔板的配筋設計首先要明確一點,橫隔板的作用 是什么?其實, 橫隔板不是主要受力部分, 主要受力部分還是在主梁上, 橫隔板只是起到一 個橫向連接的作用, 不致使單片主梁獨自受力, 那樣每一跨上的幾片梁就不能成為一個整體 了,歸根結底其作用就是讓每一跨上的幾片梁都同時分擔橋上的車輛荷載。 例如,一跨有 5 片 T 梁,做橫隔板的計算的時候就得分 5 種情況,當汽車荷載作用在 1 號 梁上時, 2,3,4,5 號梁各承擔多少荷載,然后畫出影響線,以此類推,分別畫出汽車荷 載作用在 2,3,4,5 號梁上時的影響線,然后進行荷載組合,取出最不利荷載因素,然后 再進行計算, 計算時要注意橫隔板的跨中是兩片主梁之間那部分的跨中, 跨中是正彎矩, 還 要進行負彎矩設計,就是每
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A5規(guī)范化施工曲線橋濕縫接、橫隔板 公路橋 40米 T梁曲線橋架設,經常因為橋梁曲線半徑過小,橫坡過大, 或者因架設、施 工橋面系時不規(guī)范等情況造成施工完后的橋梁線形不圓順、 出現(xiàn)錯臺等情況。 中鐵五局九江 繞城 A5項目部根據(jù)以往施工橋梁的經驗和本項目橋梁特點,修建的星子白鹿洞高架上部結 構橋面系施工已經過半,目前橋梁架設精良,曲線圓順,濕接縫、橫隔板施工平順牢固。具 體施工方法主要控制在: 1)預制梁體時曲線段邊梁翼緣板平彎位置設置。 2)預制梁體時橫 坡及梁高調整。 3)架設時控制好墊石標高臨時支座標高。 4)橫隔板、翼緣板施工模板牢固。 一、施工工藝 1、翼板平彎位置設置 曲線段梁 T 梁由于分為外弧和內弧,所以邊梁翼緣板懸臂長度不一樣。 T 梁預制除翼緣 板懸臂長度不同外, 其余尺寸均相同, 只需要調整兩側翼緣板懸臂長度, 邊梁曲線形翼緣板 施工應精細,其懸臂長度變化可采取分段直
【學員問題】連續(xù)剛構橋箱梁橫隔板厚度要求?
【解答】通常的做法是,在0號梁段對應于主墩墩柱位置布置橫隔板,其厚度與橋墩兩壁的厚度一致;另外還在邊跨支承處布置端橫隔板,其厚度可根據(jù)邊跨跨徑的大小,在0.8~2m之間取值。其余梁段不設橫隔板。
近年有的連續(xù)剛構橋曾發(fā)生底板崩裂的事故。當箱梁較寬時,為了減小底板鋼束徑向力的不利影響,有的設計在主梁跨中布置橫隔板。
當邊跨跨徑較大,箱梁較窄時,為了提高梁端支承的抗扭能力,必要時可將端橫隔板延伸至箱外(至腹板的外側),梁端支承相應移至腹板之外。
所有橫隔板都應設孔洞,以保證箱內通道全橋貫通。孔洞大小,應方便管養(yǎng)人員及小型機具通過。
以上內容均根據(jù)學員實際工作中遇到的問題整理而成,供參考,如有問題請及時溝通、指正。
短樁橫隔板支撐是建筑行業(yè)術語。打入小短木樁或鋼樁,部分打入土中,部分露出地面,釘上水平擋土板,在背面填土、夯實。
適于開挖寬度大的基坑,當部分地段下部放坡不夠時使用。
《建筑工程管理與實務》2100433B
【學員問題】薄壁扁平鋼箱梁橫隔板構造組成?
【解答】在鋼箱梁橋中,由于活載的偏心加載作用以及輪載直接作用在箱梁的頂板上,使得箱梁斷面發(fā)生畸變和橫向彎曲變形,為了減少鋼箱梁的這種變形,增加整體剛度,防止過大的局部應力,需要在箱梁的支點處和跨間設置橫隔板。
橫隔板分為中間橫隔板和支點橫隔板,支點橫隔板除了上述作用外,還將承受支座處的局部荷載,起到分散支座反力的作用。
1、中間橫隔板
中間橫隔板被腹板斷開,每個箱室一塊隔板,與頂?shù)装寮案拱搴附?。橫隔板縱向間距一般2m左右,與縱隔板豎向加勁肋交替布置。每塊橫隔板中間都設有進人洞,進人洞的洞口邊緣設有一塊加勁板,寬度100-200mm左右。
2、支點橫隔板
支點處的橫隔板比中間橫隔板厚,具體厚度及橫隔板數(shù)量由計算確定,一般2-3塊,間距400-800mm左右。支點橫隔板橫向在兩塊斜腹板之間連續(xù),將直腹板斷開并焊接在支點橫隔板上。支點橫隔板與頂?shù)装骞餐M成支點橫梁,進行計算,計算時頂?shù)装逵行挾扔伞兜罉蚴痉綍反_定。支點橫隔板上一般不設進人洞,但須設置水平加勁肋及豎向加勁肋以防止彎曲失穩(wěn)與剪切失穩(wěn)。
以上內容均根據(jù)學員實際工作中遇到的問題整理而成,供參考,如有問題請及時溝通、指正。