钢箱梁焊缝强度及疲劳验算讲诉.doc

榕江大桥全桥结构仿真分析专题报告分报告(五)钢箱梁焊缝强度及疲劳验算广东潮惠高速公路有限公司上海贝英吉工程咨询有限公司2015-04-20目 录1 概述 11.1 工程概况 11.1.1 项目概况 11.1.2 主要技术标准 11.1.3 主桥设计方案 21.2 专题研究内容 51.3 分报告内容和计算分析方法 62 分析参数和计算方法 82.1 技术标准和规范 82.2 计算参数 82.2.1 材料性能参数 82.2.2 计算荷载 92.3 疲劳计算方法 113 钢箱梁标准段焊缝疲劳性能分析 143.1 计算模型 143.2 计算结果分析 153.3 本章结论 19i榕江大桥全桥结构仿真分析专题报告 （六）关键部位疲劳受力性能分析1 概述1.1 工程概况1.1.1 项目概况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，大桥方案受到两岸大堤、通航净空、机场控高、河床断面形式及水文情况、防撞、防洪、抗震、抗风、耐久性、景观和环保等条件的复杂影响桥型方案约束条件多，且相互制约，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-砼混合梁固结体系矮塔斜拉桥方案、变截面钢箱梁支承体系矮塔斜拉桥方案、变截面钢箱梁双索面半飘体系矮塔斜拉桥方案、等截面混合梁矮塔斜拉桥方案、等截面钢砼叠合梁矮塔斜拉桥方案、等截面混合梁高低塔矮塔斜拉桥方案）进行了技术、经济比选，最终选定了结构体系上最合理的主跨380m的等截面钢－砼混合主梁斜拉桥方案。

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例介于传统斜拉桥与矮塔斜拉桥之间，称为低塔斜拉桥这种桥型是最大特点是斜拉索与水平面间的夹角较小，斜拉索的水平分力较大，拉索利用率比传统斜拉桥要低，索塔受到的水平力作用也较大较为新颖的低塔斜拉桥桥型结构形式，以及钢－砼混合主梁、桁腹式钢箱梁、整体钢锚箱式索塔锚固区等构造形式的采用，使得榕江大桥主桥在设计、施工、运营过程中体现出一系列新特性，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（5）桥面宽度：33.5m，其中行车道宽2×（3×3.75）m（6）设计洪水频率：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）地震动峰值加速度： 0.183g（50年10%）（10） 抗震设防标准：榕江大桥抗震设防类别为A类，抗震设防目标：E1地震作用（中震，重现期约为475年）一般不受损坏或不需修复可继续使用，E2地震作用（大震，重现期约为2000年）可发生局部轻微损伤，不需修复或经简单修复可继续使用。

11）船撞力：主墩横桥向设计撞击力为36MN，辅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/s1.1.3 主桥设计方案1．总体设计本桥采用双塔混合梁斜拉桥，跨径布置为60+70+380+70+60=640m中跨及次边跨主梁采用流线型扁平钢箱梁，边跨采用流线型扁平混凝土箱梁，钢混结合点设置在辅助墩墩顶处；中跨及边跨均布设斜拉索，斜拉索采用准辐射形布置，双索面，在主梁外侧锚固索塔采用门式框架索塔，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结构受力需要和建筑景观效果的要求全桥采用半漂浮体系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；过渡墩和辅助墩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型钢阻尼器装置图1-1为主桥桥型布置图图1-1 主桥桥型布置图2．主梁榕江大桥主桥采用钢箱梁和混凝土箱梁的混合梁结构，钢混结合段设置在边跨辅助墩墩顶位置附近。

主梁钢箱梁部分采用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（索塔两侧附近加强为实腹式中腹板），间距14m斜底板同时兼底板、腹板的功能，拉索锚固于边腹板根据构造不同，全桥钢箱梁划分为A~E、O和J共7种类型，39个梁段其中O梁段和A梁段为索塔附近无索区梁段，J梁段为钢混结合梁段，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，均采用桥面吊机安装图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，采用单箱三室截面，由于钢箱梁与混凝土箱梁铺装层高度不同，为保证结构整体外观高度相同，混凝土箱梁梁高采用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、预应力布置等因素考虑，混凝土梁段顶板厚度均采用30cm，底板厚度采用28cm，腹板厚50cm图1-3 混凝土箱梁标准断面图3．索塔索塔采用双柱门型框架塔，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为索塔一般构造图自承台顶到塔顶，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 混凝土索塔一般构造图4．基础（1）主塔墩基础采用钻孔灌注桩，每个承台下设24根φ3.0m-φ2.5m的变截面钻孔灌注桩，梅花形布置，按支承桩设计，桩尖进入中风化或微风化花岗岩桩基根据持力层岩面高差，设计成不等桩长承台平面呈圆端哑铃型，由两个分离的承台通过系梁连接而成承台采用有底钢套箱施工2）辅助墩基础采用钻孔灌注桩，每个承台下设8根φ2.5m的钻孔灌注桩，矩形布置，按摩擦桩设计辅助墩位于水中，墩身设计时考虑船撞因素，采用整体式矩形承台、分离式墩柱墩身采用薄壁空心墩承台采用有底钢套箱施工辅助墩采用防撞护弦进行防撞3）过渡墩基础采用钻孔灌注桩，按摩擦桩设计潮州侧承台下设14根φ2.0m的钻孔灌注桩，梅花形布置；惠州侧承台下设14根φ2.0m的钻孔灌注桩，矩形布置桩基根据桩周土层层面高差，设计成不等桩长潮州侧过渡墩采用六边形承台，惠州侧过渡墩承台平面呈哑铃型，由两个分离的承台通过系梁连接而成过渡墩承台采用开挖基坑法施工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，根据索力分为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。

疲劳应力幅值均为200MPa减震措施方面，本桥采用阻尼器、气动措施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要点，全桥结构仿真分析专题包括以下几个方面的研究内容：1. 基于全桥三维模型的施工仿真分析建立全桥空间杆系有限元模型，模拟实桥施工顺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意见，评价结构的极限承载能力和运营状态下的静力性能，建立结构全施工过程的仿真分析和优化，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定性能进行研究2. 钢混结合段局部应力分析建立钢混结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，对钢混结合段的空间应力分布特性和构件的局部稳定性能分别进行研究，并对局部构造进行相应优化3. 索塔及索梁锚固区局部应力及疲劳性能分析建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分布特性和构件的局部稳定性能分别进行研究，并对混凝土桥塔的抗裂性能进行分析研究对混凝土索梁锚固区应力分布及受力安全性进行验算，关注重点部位的疲劳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、疲劳强度进行验算，以对钢锚箱或耳板进行优化，并提出优化建议。

4. 钢箱梁空间应力分布特性建立桁腹式钢箱梁标准段的精细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分布特性和构件的局部稳定性能分别进行研究，并对局部构造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（包括桥面吊机、风等）作用下箱梁应力及稳定性进行研究最后，对钢箱梁标准阶段的关键构造的疲劳性能进行研究，优化焊缝的构造设计5. 钢箱梁焊缝强度及疲劳验算在钢箱梁空间应力分析的基础上，对焊缝的强度和疲劳特性进行专门的研究，对焊缝的设计提供设计优化意见主要的研究内容包括钢箱梁的关键焊缝强度验算和疲劳验算，对钢箱梁焊缝设计和应力分布结果提出优化意见1.3 分报告内容和计算分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劳验算由于钢箱梁承受直接承受全桥活载和索力，并且钢箱梁构造复杂，桥面板、桁腹板及加劲肋的连接方式在全桥空间杆系有限元模模型中难以精确模拟，导致焊缝的受力复杂，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，疲劳性能足够，有必要对该部分进行实体有限元模拟计算分析参照榕江大桥主跨标准段细部构造设计，建立桁腹式钢箱梁标准段的空间实体有限元模型。

重点研究关键结构焊缝在各种不利荷载作用下受力安全，并进行相关疲劳验算，对焊缝的设计提出优化意见2 分析参数和计算方法2.1 技术标准和规范分析中采用的规范分为基本规范和参照规范两类其中基本规范包括：（1）《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）（1）《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）（2）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）（3）《公路斜拉桥设计细则》（JTG/T D65-1-2007）（4）《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）（1）《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T D60-1-2004）（1）《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1-2004）（1）《公路工程结构可靠度设计统一标准》（GB/T 50283-2008）参照规范包括：（1）《钢结构设计规范》（GB50017-2011）（2）《BS5400：钢桥、混凝土桥及结合桥》（西南交通大学出版社）2.2 计算参数2.2.1 材料性能参数1．结构钢材钢箱梁采用Q345qD钢材制造，钢材屈服强度及其相关容许应力随板厚变化根据GB/T 714-2008规定执行。

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轴心容许应力(MPa)200弯曲容许应力(MPa)210剪切容许应力(MPa)120屈服强度(MPa)345热膨胀系数。