走近钢箱梁-范文理(2017.10.12)

2017/10/17认识钢箱梁范文理（13308181355）2017.102017/10/17人类如果要想避免悲剧，那么首先要知道悲剧的真相。——KarlMarx鸡蛋好吃，但是否有必要认识下蛋的母鸡？——钱钟书2017/10/17苏通长江大桥荆岳长江大桥港珠澳大桥崇启长江大桥前面的话从上世纪末至今，随着国内交通工程发展的需求，桥梁钢结构获得了前所未有的发展时机。在取得显著成绩的同时，桥梁工作者也应当清楚地意识到我们和世界桥梁先进水平的差距和不容忽视的耐久性问题：1）新建桥梁钢结构的病害低龄化（五年之痛）2）桥梁结构用钢的低效率（资源之痛）3）异化的桥梁外形和非正常的构造细节（名片之痛）国际上，日本钢结构协会（JSSC）和国际焊接学会（IIW）的统计表明，焊接钢结构所出现的裂纹问题47%~55%由设计不合理而引发，这应该引起桥梁设计工程师的高度重视。成都清水河大桥上榜2016年中国十大丑陋建筑上图为2016年中国十大丑陋建筑评选结果1.发展与痛苦1.1难忘的过程•传统力学到薄壁构件结构力学（航空、航海、桥梁）•冶金技术和高性能材料•机械连接到冶金连接（由间断到连续）•由钢板梁到型式各异的钢箱梁（直、曲、平、斜、扁）武汉军山长江大桥钢箱梁病害现状2017/10/171.23条焊缝带来的长痛（风口浪尖的正交异性板钢箱梁）2017/10/172017/10/172017/10/172017/10/17正在维修加固的军山长江大桥病害现状2017/10/17桥面板疲劳裂纹50mm以上裂纹3000多条，还只检测半边车道，快车道未掀开检，边上应急道也未检。正在维修加固的军山长江大桥病害现状2017/10/17正在维修加固的军山长江大桥病害现状2017/10/17正在维修加固的军山长江大桥病害现状2017/10/17正在维修加固的军山长江大桥病害现状2017/10/17横隔板疲劳裂纹正在维修加固的军山长江大桥病害现状2017/10/17U肋疲劳裂纹正在维修加固的军山长江大桥病害现状2017/10/17正在进行维修加固的军山长江大桥2017/10/17去掉桥面铺装，对现有疲劳裂纹进行全面修复正在进行维修加固的军山长江大桥2017/10/17去掉桥面铺装，对现有疲劳裂纹进行全面修复正在进行维修加固的军山长江大桥2017/10/17去掉桥面铺装，对现有疲劳裂纹进行全面修复长寿命正交异性板的研究成果2017/10/17U肋与桥面板的焊接接头实现全熔透焊接是解决正交异性板长寿命的重大技术创新宜昌公路长江大桥钢箱梁病害现状2017/10/172017/10/17广州黄埔大桥钢箱梁病害现状2017/10/172017/10/172017/10/172017/10/17南京长江二桥钢箱梁病害现状2017/10/172017/10/172017/10/172017/10/17JY大跨度悬索桥病害检测2017/10/172017/10/17U肋过焊孔处横隔板焊缝开裂细部照片2017/10/17U肋过焊孔处顶板焊缝开裂位置示意图U肋过焊孔处顶板焊缝开裂细部照片2017/10/17横隔板与顶板连接处焊缝开裂位置示意图横隔板与顶板连接处焊缝开裂典型照片2017/10/17横隔板与顶板连接处焊缝开裂位置示意图横隔板与顶板连接处焊缝开裂典型照片2017/10/17U肋与顶板连接处疑似裂缝位置示意图U肋过焊孔处顶板焊缝开裂疑似裂缝细部照片2017/10/170.0%5.0%10.0%15.0%20.0%25.0%30.0%35.0%40.0%45.0%50.0%临时停车道重车道变换车道快车道分隔带4.6%45.6%46.7%2.3%0.8%不同位置裂缝数量统计图浙江江东大桥钢箱梁病害现状2017/10/17JD大桥U肋现场对接接头疲劳裂纹2017/10/17近20年来建成的桥梁钢结构典型病害裂纹裂纹裂纹第①类裂纹第①类裂纹（角焊缝连接失效）裂纹裂纹第②类裂纹第③类裂纹纵肋与横肋/横隔板的连接部位裂纹裂纹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主跨310m分体式钢箱梁横断面示意图2017/10/17重庆市轨道交通三号线菜园坝大桥钢轨道梁疲劳裂纹正交异形板U肋焊缝的冷裂纹日本钢桥病害2017/10/17正交异形钢桥面板2017/10/172017/10/172017/10/17新建钢桥2017/10/171.3钢箱梁的断裂与失稳德国Koblenz大桥坍塌1.4沉重的话题—用钢量从350kg/㎡到1000kg/㎡，从经济走向奢侈。2.教训与思考2017/10/172.1寻找结构失效的原因◆冶金缺陷（有害元素）+应力集中+低温→低温脆断◆焊接损伤（缺欠残余应力）+交变应力→疲劳断裂◆焊接残余应力+初始弯曲+压力→失稳破坏◆广义损伤+外荷载→失效广义损伤指冶金缺陷、工艺损伤、构件几何缺陷、局部几何应力集中、安装偏差及环境腐蚀损伤是导致结构破坏的根本原因。发生破坏的部位95%在焊接接头和几何应力集中处。2.2细节决定成败◆焊接接头缺欠引发的缺口效应◆过渡焊接带来的多重危害◆不合理细节构造和附连件的应力集中现象◆结构整体作用被忽视◆对板厚的错误认识◆加劲肋的设置与稳定安全◆设计规范的局限性和安全系数的不足◆日本钢结构协会（JSSI）和国际焊接协会（IIW）指出焊接桥梁钢结构所出现的病害47%~53%是由设计引发3.设计与进步3.1设计原则◆以满应力设计为基本准则，充分发挥材料的力学性能，受拉板件的疲劳和受压板件的稳定是钢箱梁的设计重点。◆应力准则的有限元分析不等同于结构承载力。◆材料力学的名义应力是现行规范的设计标准（不可用有限元分析的局部应力作替代。◆完整性设计的理念：焊接结构的完整性设计包括考虑材料性能，细节构造，制造工艺，荷载作用，使用环境和维护方式的综合影响，计入各种损伤的不利因素，以服役年限为目标的设计。除了满足传统的结构强度，刚度的要求外，强调了接头的抗断裂性能和确保结构带损伤工作而不影响使用功能的损伤容限。完整性设计是结构耐久性的重要保证。◆断裂与非断裂控制的设计准则◆合理的材料性能选择—宁低勿高◆断面形式中的腹板数量—宁少勿多◆横隔板的形式—整体优于局部，薄板优于厚板（t≤12mm）◆顶板厚度一般情况不大于16mm◆正交异形板断面的标准化和无限寿命设计◆带肋板的设计理念—强肋薄板◆焊接接头的抗疲劳设计—细节保证3.2设计理念的进步◆抗疲劳细节需由设计和焊接工艺共同努力实现。正交异性板的疲劳裂纹常常带有不可修复性，国外规范采用标准化的结构细节来保证其抗疲劳性能。国内目前正交异性板的疲劳问题仍表现为低龄化。从设计到工艺，我们还有许多问题需要解决。良好的细节需要精细而又可实施的工艺来保障。港珠澳大桥对正交异性板的关键焊缝采用焊接机器人来施焊，形成低损伤焊缝，是提高耐劳强度的有效措施。目前对正交异性板U肋的纵向焊缝已可以实现全熔透，这将有效提高该接头的抗疲劳性能。◆实践证明，对受疲劳控制的焊缝，对焊缝进行焊后处理（焊趾修磨、焊趾锤击、焊趾TIG重熔技术）可以有效地提高耐劳寿命，值得设计采用。4.钢-砼组合箱梁设计原则：充分利用不同材料的力学行为，使结构设计更具合理性和经济性型式：结合梁、混合梁不适宜的钢混组合桥面板构造5.焊接钢箱梁的完整性设计5.1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。◆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。5.2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；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5.3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，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。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(σy)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。5.4焊接接头的力学性能不均匀性5.5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对接接头应力分布5.6焊接接头力学性能的匹配5.7拘束应力对T形和十字接头的影响5.9焊缝内部缺陷对疲劳强度的影响5.10焊后处理对疲劳强度的改善焊趾修磨焊趾锤击5.11正交异性板的构造细节设计日本“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•纵肋穿过横梁的构造细节及焊缝要求•横梁拼接处的细部构造要求•容易发生疲劳裂纹的部位5.12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刚度增大m倍，才能使加劲肋在临界荷载后保持它们的有效性。对增大系数m值，认为腹板的竖向加劲肋m=10-15，纵向加劲肋m=6-7，上、下盖板的纵向加劲肋m=3-3.5，已经能够满足要求。5.12.1带肋板箱型受压构件的局部稳定（宽厚比）控制【可参照日本铁规】5.12.2箱型梁带肋受压板的稳定（顶、底板）计入初挠度时，引用日本长柱研究委员会编的《结构稳定手册》，以最大主应变假定导出的公式：0)1(12)1()(222222222=−+−−+βµσβπλκβσcrcryEfEntbσcr—板的临界应力E—弹性模量fy—屈服极限b和t—板的宽度和厚度式中：ba=βbkδ=tb=λa—板块长度；δ—板块中心初挠度5.13带肋板的设计原则◆受压板件由稳定控制构承载力时，放置加劲肋是最合理的方式。“薄板强肋”则是设计原则，它既可满足结构承载要求，又符合钢结构轻量化设计的思想。◆当板件的设计应力水平偏低，稳定承载力并不控制，却出现了密集设置加劲肋，且多有厚板薄肋的现象，极不合理。更有甚者，受拉区也设置加劲肋，显然违背了规范对板件稳定设计的基本要求。先强度设计，后稳定验算，根据需要设置加劲肋既可少也可无。当需要设肋时，按肋的刚度要求设计断面，减少肋即减少焊缝，又减少焊接变形，有利于抗疲劳。对箱