帶U肋扁平鋼箱梁焊接病害及其加固技術(shù)研究.pdf

1、最早運(yùn)用正交異性扁平鋼箱梁的是英國(guó)1966年建造的Seven橋，當(dāng)時(shí)采用扁平鋼箱梁的主要目的是為了改善大跨度懸索橋的抗風(fēng)性能。扁平鋼箱梁代替桁架橋被認(rèn)為可與飛機(jī)工業(yè)中雙翼飛機(jī)改進(jìn)為單翼飛機(jī)相比的革命性變革。扁平鋼箱梁具有自重輕、剛度大、維護(hù)方便等特點(diǎn)，因此，自1966年以來(lái)，包括法國(guó)、丹麥、日本、中國(guó)等許多國(guó)家均將正交異性板鋼箱梁作為大跨纜索支承橋梁加勁梁的主要形式之一。
　　近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已建成的扁平鋼箱梁橋在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一

2、些與結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和制造相關(guān)的重要問(wèn)題，并且隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)越來(lái)越突出。造成上述原因是因?yàn)楸馄戒撓淞航Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，其截面形式也并不規(guī)則，所受荷載也不是單一荷載?，F(xiàn)階段的鋼箱梁制造技術(shù)，對(duì)其所包含的閉口截面或者板條肋，均采用薄板組焊而成，這就導(dǎo)致在同一斷面內(nèi)包含了幾百條不同坡口形式、焊接方法和熔合形狀的焊縫。而焊接的一大缺陷就是會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，因此，扁平鋼箱梁在未受力之前，便已存在著由于拼裝、溫差、重力效應(yīng)，尤其是焊接所產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)

3、。加之車輛荷載的作用，很容易導(dǎo)致扁平鋼箱梁出現(xiàn)裂紋等病害。
　　TOHN.W.費(fèi)希爾曾統(tǒng)計(jì)和分析了美國(guó)149座鋼橋細(xì)節(jié)構(gòu)造斷裂和開(kāi)裂的事例。其中，由于設(shè)計(jì)構(gòu)造不合理，引起面外變形以及構(gòu)造疲勞抗力不足等設(shè)計(jì)原因占45.7％;由于各種制作缺陷，包括初始漏檢裂紋、未熔透、焊縫強(qiáng)約束、焰切硬化切口、塞焊缺陷、電渣焊缺陷等制作原因占49.7％，腐蝕、運(yùn)輸、安裝碰損等其他原因占4.6％。
　　因此，焊接及其所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、缺陷對(duì)鋼結(jié)構(gòu)

4、橋梁的損傷影響很大，對(duì)扁平鋼箱梁也不例外。所以，研究焊接扁平鋼箱梁中焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和分布，對(duì)認(rèn)識(shí)焊接殘余應(yīng)力的影響與扁平鋼箱梁的典型損傷有重要意義。本文以一實(shí)橋的扁平鋼箱梁為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元方法與ANSYS軟件研究了扁平鋼箱梁的以下幾個(gè)問(wèn)題:
　　1.介紹了焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因及其產(chǎn)生機(jī)理與消除控制措施;
　　2.運(yùn)用熱—結(jié)構(gòu)耦合法分析了扁平鋼箱梁U肋與橋面板交接處焊接的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。溫度場(chǎng)的分析結(jié)果表明，在焊接

5、過(guò)程中焊縫處形成了一個(gè)穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。應(yīng)力場(chǎng)分析結(jié)果表明，在焊接熔池處應(yīng)力值很低，熔池前承受很大的壓應(yīng)力，而熔池后則承受較大的拉應(yīng)力。隨著熱源的移動(dòng)，焊縫處各點(diǎn)的應(yīng)力首先表示為壓應(yīng)力，而后成為拉應(yīng)力，并且其最大應(yīng)力均超過(guò)了鋼材在該溫度下的屈服極限。殘余應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)集中在焊縫及其熱影響區(qū)，并且在沿焊縫方向橫向、縱向殘余應(yīng)力分布表現(xiàn)出一段穩(wěn)定區(qū)，在該區(qū)段，縱向殘余應(yīng)力與橫向殘余應(yīng)力均表現(xiàn)為拉應(yīng)力;在焊縫端部存在一應(yīng)力過(guò)渡區(qū)，在過(guò)度區(qū)，縱向殘

6、余應(yīng)力逐漸減小，橫向殘余應(yīng)力則由較小的拉應(yīng)力逐漸增加為很大的壓應(yīng)力。而沿板厚方向不同位置，殘余應(yīng)力也不盡相同。
　　3.首先建立橋梁的整體結(jié)構(gòu)板殼模型，然后采用子模型法分析了扁平鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段及其U肋部分在有無(wú)裂紋情況下的應(yīng)力分布情況。分析結(jié)果表明，在有無(wú)裂紋的情況下，如不考慮焊接殘余應(yīng)力，橋面板及其U型加勁肋均以受壓為主。
　　4.結(jié)合計(jì)算分析結(jié)果及橋梁實(shí)際情況，研究了扁平鋼箱梁焊縫處產(chǎn)生裂紋的原因，并對(duì)此提出了一些加固和