钢箱梁焊缝强度及疲劳验算模板.docx
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钢箱梁焊缝强度及疲劳验算模板
榕江大桥全桥结构仿真剖析专题报告
分报告(五)
钢箱梁焊缝强度及疲惫验算
广东潮惠高速公路有限企业
上海贝英吉工程咨询有限企业
2015-04-20
目
录
1概括.................................................................................................................
1
1.1
工程概略...........................................................................................................
1
项目概略.....................................................................................................................
1
主要技术标准.............................................................................................................
1
主桥设计方案.............................................................................................................
2
1.2
专题研究内容...................................................................................................
5
1.3
分报告内容和计算剖析方法...........................................................................
6
2剖析参数和计算方法.....................................................................................
8
2.1
技术标准和规范...............................................................................................
8
2.2
计算参数...........................................................................................................
8
资料性能参数.............................................................................................................
8
计算荷载.....................................................................................................................
9
2.3
疲惫计算方法.................................................................................................
11
3钢箱梁标准段焊缝疲惫性能剖析...............................................................
14
3.1
计算模型.........................................................................................................
14
3.2
计算结果剖析.................................................................................................
15
3.3
本章结论.........................................................................................................
19
i
榕江大桥全桥结构仿真剖析专题报告(六)重点部位疲惫受力性能剖析
1概括
1.1工程概略
1.1.1项目概略
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,大桥方案遇到两岸大堤、通航净空、机场控高、河床断面形式及水文
状况、防撞、防洪、抗震、抗风、持久性、景观和环保等条件的复杂影响。
桥型方案拘束条件多,且互相限制,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-砼混淆梁固结系统矮塔斜拉桥方案、变截面钢箱梁支承系统矮塔斜拉桥方案、变截面钢箱梁双索面半飘系统矮塔斜拉桥方案、等截面混淆梁矮塔斜拉桥方案、等截面钢砼叠合梁矮塔斜拉桥方案、等截面混淆梁高低塔矮塔斜拉桥方案)进行了技术、经济比选,最后选定了却构系统上最合理的主跨380m的等截面钢-砼混淆主梁斜拉桥方案。
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率介于传统斜拉桥与矮塔斜拉桥之间,称为低塔斜拉
桥。
这类桥型是最大特色是斜拉索与水平面间的夹角较小,斜拉索的水均分力较
大,拉索利用率比传统斜拉桥要低,索塔遇到的水平力作用也较大。
较为新奇的低塔斜拉桥桥型结构形式,以及钢-砼混淆主梁、桁腹式钢箱梁、整体钢锚箱式索塔锚固区等结构形式的采纳,使得榕江大桥主桥在设计、施工、营运过程中表现出一系列新特征,设计难度较大。
1.1.2主要技术标准
(1)公路等级:
六车道高速公路
(2)荷载标准:
公路-Ⅰ级
(3)设计速度:
100km/h
(4)桥梁设计基准期:
100年
1
榕江大桥全桥结构仿真剖析专题报告(六)重点部位疲惫受力性能剖析
(5)桥面宽度:
33.5m,此中行车道宽2×(3×3.75)m
(6)设计洪水频次:
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347×38米,单孔双向通航
(9)地震动峰值加快度:
0.183g(50年10%)
(10)抗震布防标准:
榕江大桥抗震布防类型为A类,抗震布防目标:
E1
地震作用(中震,重现期约为475年)一般不受破坏或不需修复可持续使用,
E2地震作用(大震,重现期约为2000年)可发生局部稍微损害,不需修复或经
简单修复可持续使用。
(11)船撞力:
主墩横桥向设计撞击力为36MN,协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.整体设计
本桥采纳双塔混淆梁斜拉桥,跨径部署为60+70+380+70+60=640m。
中跨及次边跨主梁采纳流线型扁平钢箱梁,边跨采纳流线型扁平混凝土箱梁,钢混联合点设置在协助墩墩顶处;中跨及边跨均布设斜拉索,斜拉索采纳准辐射形部署,
双索面,在主梁外侧锚固。
索塔采纳门式框架索塔,塔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却构受力需要和建筑景观成效的要求。
全桥采纳半飘荡系统。
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;过渡墩和协助墩设置竖
2
榕江大桥全桥结构仿真剖析专题报告(六)重点部位疲惫受力性能剖析
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为主桥桥型部署图。
图1-1主桥桥型部署图
2.主梁
榕江大桥主桥采纳钢箱梁和混凝土箱梁的混淆梁结构,钢混联合段设置在边跨协助墩墩顶地点邻近。
主梁钢箱梁部分采纳带风嘴的整体式扁平流线型断面,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(索塔双侧邻近增强为实腹式中腹板),间距14m。
斜底板同时兼底板、腹板的功能,拉索锚固于边腹板。
依据结构不一样,全桥钢箱梁区分为A~E、O和J共7种种类,39个梁段。
此中O梁段和A梁段为索塔邻近无索区梁段,J梁段为钢混联合梁段,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,均采纳桥面吊机安装。
图1-2钢箱梁标准断面图
混凝土梁外形同钢箱梁外形保持一致,混凝土箱梁标准断面如图
1-3所示,
采纳单箱三室截面,因为钢箱梁与混凝土箱梁铺装层高度不一样,为保证结构整体
3
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外观高度同样,混凝土箱梁梁高采纳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、预应力部署等要素考虑,混凝土梁段顶板厚度均采纳30cm,底板厚度采纳28cm,腹板厚50cm。
图1-3混凝土箱梁标准断面图
3.索塔
索塔采纳双柱门型框架塔,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为索塔一般结构图。
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混凝土索塔一般结构图
4
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4.基础
(1)主塔墩基础采纳钻孔灌输桩,每个承台下设24根φ3.0m-φ2.5m的变截面钻孔灌输桩,梅花形部署,按支承桩设计,桩尖进入中风化或细风化花岗岩。
桩基依据持力层岩面高差,设计成不等桩长。
承台平面呈圆端哑铃型,由两个分别的承台经过系梁连结而成。
承台采纳有底钢套箱施工。
(2)协助墩基础采纳钻孔灌输桩,每个承台下设8根φ2.5m的钻孔灌输桩,矩形部署,按摩擦桩设计。
协助墩位于水中,墩身设计时考虑船撞要素,采纳整
体式矩形承台、分别式墩柱。
墩身采纳薄壁空心墩。
承台采纳有底钢套箱施工。
协助墩采纳防撞护弦进行防撞。
(3)过渡墩基础采纳钻孔灌输桩,按摩擦桩设计。
潮州侧承台下设14根φ2.0m的钻孔灌输桩,梅花形部署;惠州侧承台下设14根φ2.0m的钻孔灌输桩,矩形部署。
桩基依据桩周土层层面高差,设计成不等桩长。
潮州侧过渡墩采纳六边形承台,惠州侧过渡墩承台平面呈哑铃型,由两个分别的承台经过系梁连结而成。
过渡墩承台采纳开挖基坑法施工。
5.斜拉索
全桥共2×4×12=96根斜拉索,最长约186.3米,最大规格为PES7-301,依据索力分为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。
疲惫应力幅值均为
200MPa。
减震举措方面,本桥采纳阻尼器、气动举措并用的综合减振方案。
1.2专题研究内容
针对榕江大桥主桥方案的设计重点,全桥结构仿真剖析专题包含以下几个方
面的研究内容:
1.鉴于全桥三维模型的施工仿真剖析
成立全桥空间杆系有限元模型,模拟实桥施工次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建议,评论结构的极限承载能力和
营运状态下的静力性能,成立结构全施工过程的仿真剖析和优化,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固性能进行研究。
2.钢混联合段局部应力剖析
5
榕江大桥全桥结构仿真剖析专题报告(六)重点部位疲惫受力性能剖析
成立钢混联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,对钢混联合段的空间应力散布特征和构件的局部稳固性能分别进行研究,并
对局部结构进行相应优化。
3.索塔及索梁锚固区局部应力及疲惫性能剖析
成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散布特征和构件的局部稳固性能分别
进行研究,并对混凝土桥塔的抗裂性能进行剖析研究。
对混凝土索梁锚固区应力
散布及受力安全性进行验算,关着重点部位的疲惫性能。
对钢梁索梁锚固区的钢
锚箱(含焊缝)或耳板(含焊缝)的应力、疲惫强度进行验算,以对钢锚箱或耳
板进行优化,并提出优化建议。
4.钢箱梁空间应力散布特征
成立桁腹式钢箱梁标准段的精美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散布特征和构件的局部稳固性能
分别进行研究,并对局部结构进行相应优化。
研究钢箱梁顶底板的剪力滞现象,
并对施工过程(包含桥面吊机、风等)作用下箱梁应力及稳固性进行研究。
最后,
对钢箱梁标准阶段的重点结构的疲惫性能进行研究,优化焊缝的结构设计。
5.钢箱梁焊缝强度及疲惫验算
在钢箱梁空间应力剖析的基础上,对焊缝的强度和疲惫特征进行特意的研
究,对焊缝的设计供给设计优化建议。
主要的研究内容包含钢箱梁的重点焊缝强
度验算和疲惫验算,对钢箱梁焊缝设计和应力散布结果提出优化建议。
1.3分报告内容和计算剖析方法
本册为分报告(五),分报告内容为钢箱梁焊缝强度及疲惫验算。
因为钢箱梁蒙受直接蒙受全桥活载和索力,而且钢箱梁结构复杂,桥面板、
桁腹板及加劲肋的连结方式在全桥空间杆系有限元模模型中难以精准模拟,致使
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,疲惫性能足够,有必需对该部分进行实体有限元模拟计算剖析。
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参照榕江大桥主跨标准段细部结构设计,成立桁腹式钢箱梁标准段的空间实
体有限元模型。
重点研究重点结构焊缝在各样不利荷载作用下受力安全,并进行
有关疲惫验算,对焊缝的设计提出优化建议。
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2剖析参数和计算方法
2.1技术标准和规范
剖析中采纳的规范分为基本规范和参照规范两类。
此中基本规范包含:
(1)《公路工程技术标准》(JTGB01-2003)
(1)《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)
(2)《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)
(3)《公路斜拉桥设计细则》(JTG/TD65-1-2007)
(4)《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ025-86)
(1)《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/TD60-1-2004)
(1)《公路工程质量查验评定标准》(JTGF80/1-2004)
(1)《公路工程结构靠谱度设计一致标准》(GB/T50283-2008)
参照规范包含:
(1)《钢结构设计规范》(GB50017-2011)
(2)《BS5400:
钢桥、混凝土桥及联合桥》(西南交通大学第一版社)
2.2计算参数
2.2.1资料性能参数
1.结构钢材
钢箱梁采纳Q345qD钢材制造,钢材折服强度及其有关允许应力随板厚变化
依据GB/T714-2008规定履行。
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
轴心允许应力(MPa)
200
曲折允许应力(MPa)
210
剪切允许应力(MPa)
120
8
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(六)重点部位疲惫受力性能剖析
折服强度(MPa)
345
热膨胀系数
0.000012
2.斜拉索
采纳Φs7mm平行钢丝索,抗拉标准强度1770MPa,抗拉设计强度708MPa,弹性模量1.95×105MPa。
依据索力不一样采纳十种规格的斜拉索。
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,钢箱梁自重需依据钢箱梁节段资料重量统
计表对模型自重进行修正。
二期恒载:
包含桥面铺装、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54kN/m。
梁段压重:
图纸未见详尽压重部署,依据设计单位供给的文字说明施工。
2.斜拉索索力
咨询中采纳的施工索力依据合理成桥状态优化剖析得出并采纳,索力与压重
的差异可能致使成桥状态与设计单位存在必定的差异。
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,分别成立六条偏爱车道,模拟实质的横向
加载地点,自动计入偏载作用。
汽车冲击力:
经过Midas软件的特色值剖析求得结构的一阶基频,再依据
《公路桥涵设计通用规范》第4.3.2条的规定计算获取汽车冲击系数u=0.05。
4.温度作用
计算中考虑以下温度作用效应:
(1)结构整体起落温
依据《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)4.3.10条温热地域公路桥梁结构的有效温度标准值以及苏通大桥设计经验,钢结构整体起落温考虑为+26℃、﹣23℃,混凝土结构整体起落温考虑为±20℃。
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(2)主梁梯度温度效应
因为我国规范缺乏对钢箱梁上直接连结铺装层的钢梁梯度温度效应的规定,
所以本桥钢箱梁梯度温度效应参照英国BS5400规范进行取值,见图2-1。
(3)索、塔、梁温差
依据《公路斜拉桥实行细则》5.2.5条,斜拉索与桥塔和主梁之间的温差取
为±10℃。
(4)桥塔左右边截面温差:
取为±5℃。
图2-1钢箱梁梯度温度效应表示图
5.基础不平均沉降
主塔基础沉降按0.02m考虑;过渡墩和协助墩基础沉降按0.01m考虑。
6.风荷载
依据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/TD60-1-2004)的有关规定进行取值。
使用阶段设计重现期为100年,基本风速39.4m/s;与车辆荷载进行组合时,基本风速取为25m/s。
主梁静风荷载采纳梁单元均不荷载模拟,桥塔蒙受的静风荷载采纳梁单元荷载模拟(荷载值依据塔柱不一样高度处的风速和断面尺寸分段计
算),斜拉索蒙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
依据《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)第4.3.6条的规定,计算得
汽车制动力为1656kN,每个桥塔蒙受的汽车制动力为828kN。
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榕江大桥全桥结构仿真剖析专题报告(六)重点部位疲惫受力性能剖析
2.3疲惫计算方法
1.剖析思路
我国现行钢桥规范为上世纪80年月公布的《公路钢结构和木结构桥梁设计
规范》,该规范中对钢结构疲惫性能的评判指标仍以应力比为主要参数,可是目
前工程界广泛以为钢构件的疲惫寿命主要与应力幅有关,所以该规范的有关规定
已经不合适评论此刻新建的钢结构桥梁的疲惫性能。
考虑到当前我国还没有公布新
的钢桥规范,所以参照美国AASHTO规范中对于疲惫计算的有关规定,对榕江
大桥主要部位的钢结构疲惫性能进行剖析。
剖析中,采纳大型有限元计算软件ANSYS12.1,针对各主要部位分别成立局部板单元有限元模型,并依据营运状态下的车辆荷载和活载索力幅等参数计算疲惫应力幅,最后依据AASHTO规范的有关规定对各重点部位的进行常幅疲惫性能验算,对结构的疲惫性能做出评论。
此中,钢箱梁标准段进行有限寿命常幅疲惫性能验算;索塔锚固区和索梁锚固区因为较为重要,所以进行无穷寿命常幅疲惫性能验算。
2.验算准则
AASHTOLRFD2004版第6.6.1.2.2条规定,对于荷载产生的疲惫效应,各
结构细节应知足:
(f)(F)n
此中,为活载效应的组合系数;(f)为活载(考虑活载冲击效应)产生的
应力幅;(F)n为名义疲惫强度。
式中左边即为设计疲惫应力幅,计算方法以下;
式中右边的名义疲惫强度的计算方法以下。
3.设计疲惫应力幅
(1)AASHTOLRFD2004版第6.6.1.2条规定,在钢桥局部构件的疲惫设计
中,应将活载应力幅(考虑活载冲击效应)作为设计荷载效应。
(2)AASHTOLRFD2004版第3.4.1.1条规定,疲惫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纳0.75。
榕江大桥的设计
冲击系数为0.05,所以:
设计疲惫应力幅=0.75×1.05×活载应力幅
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(3)活载应力幅由疲惫车加载计算获取。
AASHTOLRFD2004版第
3.6.1.2.2条规定,标准疲惫车中后轴重145kN(见下列图)。
图2-2标准疲惫车表示图
(4)对于钢箱梁标准段疲惫验算,计算中直接将车轮荷载转变为节点荷载
施加在实体有限元模型中,计算中模拟车辆匀速行驶经过计算地区,计算获取各
细节部位的活载应力幅。
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惫验算,计算中将车辆荷载施加在全
桥杆系有限元模型上,计算获取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
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