正交异性钢桥面板疲劳裂纹分析以 及抗疲劳优化设计研究
讲者：xxx
组员：xxx
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目 录
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研究动态 正交异性钢桥面板的疲劳问题 抗疲劳优化设计探讨
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结论
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参考文献
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研究动态
背景与动态
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动态
研究背景
正交异性钢桥面板因具有质轻、经济性好等优点，被广泛应用于大跨度
桥梁中。但疲劳裂纹严重影响了桥梁的使用寿命，因此，对正交异性桥面板 疲劳问题的研究是目前桥梁建设中的关键和热点，各国学者在此领域取得了 一系列研究成果。
不能孤立看待某一个设计参数，一定要兼顾各参数之间的匹配性，合理搭
配顶板厚度、U肋厚度、横隔板间距等。在确保结构性能的前提下，综合 考虑制造工艺和经济效益。
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疲劳
设计变量参数分析
顶板的最小厚度一般取决于其在轮载作用下的允许变形，为保证桥面 铺装层不产生裂纹，纵肋之间面板的竖向挠曲变形不大于0.4mm。同时各 国规范根据各自的车辆荷载及桥面铺装层情况，为保证钢桥面板的施工性 和耐久性，对顶板厚度作了不同规定。下表列出了Eurocode 3、AASHTO 和日本道路规范中的相关规定。
（3）III类裂缝成因分析：横隔板的开裂除了由于车辆活载的作用引 起U肋的偏转使过焊孔处横隔板受拉外，还有实桥本身的一些构造上的缺 陷。III类裂缝表现为过焊孔处横隔板母材开裂，在检查中发现许多横隔板 裂纹在打了止裂孔之后仍然继续向前发展，最终在2个U肋之间的横隔板 形成贯穿。 对于不同的疲劳细节，各构造参数对其疲劳应力幅影响的显著程度 相异。因此，对正交异性钢桥面板这类构造复杂的结构，在进行设计时，
（1）顶板与U肋连接焊缝部位
（2）横隔板与U肋连接焊缝部位
（3）U 肋过横隔板处的开槽部位 （4）U肋纵向对接连接部位。
以上述疲劳易损部位作为研究对象，通过模型试验、数值计算及理论分
析相结合的方法对正交异性钢桥面板的疲劳特性进行研究，从构造上分析其 疲劳损伤原因，进而对其进行构造参数的抗疲劳优化设计。
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疲劳
疲劳细节分析
世界各国对纵肋与桥面板的焊接细节均作了相应规定。以Eurocode 3 为例， 其规定除人行道部分U肋与顶板可采用下图所示的角焊缝a连接外， 车行道处均需采用熔透的坡口角焊缝b，具体构造要求如下所示。
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疲劳
疲劳细节分析
（2） II类疲劳裂纹主要是由于正交异性桥面板在轮载作用下，一方 面U肋产生变形和下挠，既在U肋与横隔板的连接角焊缝处产生应力，又 在横隔板处产生弯曲应力；另一方面横隔板可能在弧形开口边缘和纵肋变 形处产生应力集中。经过学者研究表明，疲劳裂纹起源于纵肋与横梁连接 接头的焊趾处和纵肋与面板连接处，并且建议采用止裂孔的方法阻止接头 处的疲劳裂纹扩展。
以顶板厚度、U肋厚度、横隔板厚度和横隔板间距等4个主要参数为设
计变量，以上述3个疲劳细节作为研究对象，对比分析主要构造参数变化
对疲劳应力幅的影响。基本规律为：在一定范围内，各板件越厚，应力幅 越小；横隔板间距越大，应力幅越大。适当提高顶板厚度、横隔板厚度，
并缩小横隔板间距，可以使疲劳易损细节的应力幅减小。
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谢谢！
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疲劳
疲劳细节分析
为避免该处疲劳裂纹的萌生，各国在试验研究的基础上规定了横肋腹 板弧形缺口的构造细节 。Eurocode 3中给出了如下图所示的弧形缺口详细 构造细节，并且规定在缺口与纵肋的连接焊缝端头处要围焊，并打磨圆润。 图中弧形缺口尺寸25mm≤tw≤b,tw为横隔板板厚。
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疲劳
疲劳细节
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参考文献
[1] 童乐为.正交异性桥面板的疲劳研究[D]. 同济大学结构工程学院，1995. [2] 钱冬生.关于正交异性钢桥面板的疲劳[J]．桥梁建设，1996. [3] 丁文俊，吴冲，赵秋.横隔板间距对钢桥面板疲劳应力幅的影响[J]．公路交 通科技，2011. [4] 王春生，付炳宁，等.正交异性钢桥面板横隔板挖孔型式[J]．长安大学学报， 2012. [5] 孟凡超，卜一之，等.正交异性钢桥面板的抗疲劳优化设计研究．公路，2014. [6] 王春生，成锋.钢桥腹板间隙面外变形疲劳应力分析[J]．建筑科学与工程学 报，2010. [7] Eurocode 3.Design of Steel Structures Part 2:Steel Bridges [s]. [8] 张玉玲，辛学忠，刘晓光.对正交异性钢桥面板构造抗疲劳设计方法的分析 [J]．钢结构，2009． [9] 赵欣欣，刘晓光，张玉玲.正交异性桥面板设计参数和构造细节的疲劳研究 进展.钢结构，2010. [10] AASHTO.LRFD Bridge Design Specifications [s]. [11] 邓文中.正交异性钢桥面板的一个新构思[c].桥梁杂志精选本，2009.
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结论
• 超重车、交通量、桥面板焊接质量和构造细节是影响桥面 板疲劳寿命的关键因素，在桥梁的设计及养护工作中时应 从各自方面寻找主要矛盾，采取必要的措施提高或延长桥 面板的疲劳寿命。
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• 我国公路桥梁建设迫切需要一套完善的正交异性钢桥面板 设计规范/规程，以吸收多年来的研究成果和工程实践经验。
各个构造参数与关键疲劳易损细节的相关性，并从构造参数合理匹配这一
角度对正交异性钢桥面板进行抗疲劳优化设计，是十分必要的。
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疲劳
疲劳细节与设计变量分析
学者通过大量的研究和观察发现，一般考虑以下疲劳细节：
U肋与顶板焊缝 细 节 U肋与横隔板竖向焊缝端 部 横隔板开槽部位
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疲劳
疲劳细节与设计变量分析
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疲劳
损伤原因
由于正交异性钢桥面板构造复杂，横向刚度较弱，致使 其产生疲劳裂纹的因素较多。根据荷载作用引起板件应 力原因不同，可以将钢桥面板疲劳裂纹分为两类：
由荷载引起的开 裂（由主应力引 起的开裂） 由面外变形引起的开裂（由次应力 引起的开裂）
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疲劳
损伤原因
近10年新建正交异性桥面板钢桥的顶板和横隔板厚度均较旧桥有明 显提高。原因是顶板直接承受车轮作用，厚度增加能明显减少各构造细节 处应力幅；横隔板厚度和间距对提高结构整体刚度、减少面外变形有重要 影响。而结构的疲劳是应力幅和面外变形共同作用的结果，通过提高相应 的设计参数，可以减小主应力及面外变形 ，进而起到改善结构疲劳性能 的作用。对U肋、横隔板等共同作用的复杂结构，其疲劳性能由其构造参 数共同决定，构造参数能否合理匹配将直接影响其疲劳性能。因此，考察
经成为钢桥疲劳研究的最为重要的课题。 钱冬生教授 对英国severn bridge的疲劳裂纹产生原因及疲劳寿命计算进行 了介绍，并就钢箱梁的制造和安装提出建议。 丁文俊 分别对横隔板构造形式和横隔板间距进行了研究，探讨其对钢桥面 板疲劳应力幅的影响。 王春生 通过有限元参数分析，讨论了横隔板挖空形式和几何尺寸对挖孔处 应力分布的影响。
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优化设计
对于不同的疲劳细节，各构造参数对其疲劳应力幅影响的显著程度相异。 因此，对正交异性钢桥面板这类构造复杂的结构，不能只考虑单参数的影响， 多个构造参数耦合作用效应亦需考虑，最终找出对各易损部位抗疲劳性能都 相对较优的参数匹配方案，以满足设计要求。
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优化设计
诸位学者不仅仅从构造参数合理匹配这一角度来改善正交异性板的抗疲 劳性能。近年来，国外学者提出几种改善正交异性钢桥面板抗疲劳性能的优 化措施：
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动态
研究背景
国内在20世纪80年代初，铁道科学研究院等相关单位以西江大桥为研究背 景，对公路正交异性钢桥面板参与主桁共同工作时的结构特性进行了较为 全面的分析及试验研究。 1995年，同济大学童乐为 在博士论文中对采用开口肋形式的钢桥面板的疲
劳性能进行了较为系统的分析。 而现在对其构造进行抗疲劳优化设计，已
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疲劳
设计变量参数分析
（2）U型肋具有焊接工作量小，抗弯抗扭刚度大，压屈强度较高等优 点。截面尺寸的确定主要考虑抗扭和抗弯两方面的因素。具体规范如下： 对于屈服强度σs≤345Mpa 的钢材，U型肋通常采用冷弯成型。为避免冷弯 塑性变形对韧性的过大影响，欧洲及美国规范规定U型肋内侧半径R ≥ 4t （t为纵肋厚度），日本规范规定U型肋内侧半径R ≥ 5t。对于屈服强度σs ≥420Mpa 的钢材，采用热弯成型，以避免冷弯裂纹。
（1）美国规范AASHTO提出在U 肋和横隔板相交处的纵肋内部设置小横肋，以改善 此处肋壁的刚度
（2）Mizuguchi、Kazuyuki等和Roman Wolchuk提出新型大纵肋正交异性钢桥面板构 造，通过增大U 肋的尺寸和横向间距，进而减少焊缝数量，希望对正交异性板的抗 疲劳性能有所改善
（3）邓文中 建议减小结构的跨厚比（纵肋的跨度与顶板厚度的比值），即适当增 加顶板的厚度。
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疲劳
疲劳细节分析
(1) 正交异性钢桥面板直接承受轮载作用时，U 肋与顶板之间会发生 较大的面外变形。由于U肋与顶板的板厚相对较小，面外变形在U 肋与顶 板的连接焊缝处会引起较高的局部弯曲应力。焊缝频繁承受较大的弯曲拉 应力，就会产生疲劳裂纹.学者认为U肋与顶板连接处的疲劳寿命与角焊缝 未熔透区域的大小密切相关，如果未熔透区域较大，则不论面板多厚，都 会产生疲劳裂纹。
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疲劳
设计变量参数分析
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（3）横隔板参数不是孤立确定的，需要综合考虑纵肋截面尺寸和顶 板厚度等。Eurocode 3规定，横隔板间距一般取2.5-3.5m，其厚度不小于 10mm。有学者通过有限元分析表明，这样做不仅会降低面内应力，而且 不会显著增大因横隔板扭转而产生的面外应力。
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探讨
抗疲劳优化 设计
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动态
研究背景
虽然众多学者通过大量研究解决了许多的问题，但其疲劳性能研究仍面