正交异性钢桥面板的疲劳裂纹扩展规律

为了研究正交异性钢桥面板U肋-横隔板的连接部位的疲劳问题,基于扩展有限元方法分析典型疲劳裂纹的扩展机理,并引入U肋-横隔板焊缝的残余应力,分析残余应力对疲劳裂纹扩展的影响。研究结果表明:萌生于横隔板开孔处的疲劳裂纹未考虑残余应力时不会扩展,加入残余应力后会改变裂纹的应力状态,裂尖应力可以驱动横隔板开孔处的裂纹扩展,裂纹扩展类型为Ⅰ型裂纹;萌生于U肋焊趾处的疲劳裂纹为Ⅰ型主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹,残余应力会影响裂纹扩展角度;对于萌生于横隔板焊趾处的裂纹,相比于不考虑残余应力的情况,考虑残余应力的裂纹扩展规律与实桥开裂规律相符,说明对于焊缝疲劳裂纹,在疲劳评估时应考虑焊接过程中残余应力对评估结果的影响。     

基于有效缺口应力法的正交异性钢桥面板疲劳评价

为验证有效缺口应力法在正交异性钢桥面板疲劳评价中的适用性,开展了横隔板弧形切口2种不同过渡形式的局部应力研究.采用Ansys分别计算U肋与横隔板连接处焊趾和焊根处的有效缺口应力,并加以比较,表明焊趾处更易萌生裂纹.采用S-N曲线评估其疲劳寿命,表明有效缺口应力法可以应用于正交异性桥面板的疲劳评价.有限元分析假定缺口的真实半径为0,这可能导致试验结果的保守性.基于不同U肋厚度的比较,发现U肋厚度的增加将导致U肋与横隔板端焊缝处更易产生疲劳裂纹.相关研究结果可为正交异性钢桥面板的设计和疲劳评价提供参考.     

正交异性钢桥面板U肋与横隔板构造细节围焊处疲劳性能

为了研究正交异型钢桥面板的U肋与横隔板连接处的疲劳性能,以九江长江公路大桥正交异性钢桥面板的U肋与横隔板处焊缝细部构造为研究对象,通过实桥结构有限元分析及其局部结构子模型法进行的精细分析,得到了该细部结构焊缝处的应力分布及疲劳危险点;以疲劳试样关注点应力状态应与实桥对应位置应力状态相同的设计原则设计了疲劳试样。对疲劳试样进行了有限元分析、应力测试和疲劳试验。研究结果表明:疲劳试样与实桥在U肋与横隔板焊缝处的应力变化规律相一致,最大应力发生在U肋与横隔板焊缝围焊处的焊址部位;疲劳裂纹首先发生在U肋与横隔板焊围焊处,然后沿焊缝向两侧扩展;同时得到了该处的S-N曲线以及容许应力幅值;研究成果为大桥的疲劳寿命评估和养护维修提供依据,也为其他桥梁设计提供参考。     

钢桥面板横隔板-U肋焊缝裂纹修复后的应力特征

采用数值模拟的方法,建立不同疲劳修复方法的分析模型,针对止裂孔法和钢板补强法的疲劳修复效果进行了探究.通过提取两侧横隔板-U肋连接焊缝焊趾部位不同路径的Mises应力进行纵向对比,得到了该部位在维护前后应力的变化规律.研究结果表明:裂纹存在时,另一侧横隔板-U肋连接焊缝焊趾处的应力水平有明显提高;止裂孔法虽可以缓解裂纹尖端应力集中现象,但会增大另一侧该连接焊缝焊趾处的应力;钢板补强法可大幅降低裂纹尖端及另一侧连接焊缝焊趾处的应力水平,但被补强一侧钢板下缘会出现显著的应力集中现象.     

钢桥面板顶板与竖向加劲肋连接角焊缝疲劳试验

为研究钢桥面板顶板与竖向加劲肋连接角焊缝的疲劳性能,采用机械型振动疲劳试验机对制作的9个试件进行等幅疲劳加载,并通过名义应力和热点应力2种方法对试件焊缝疲劳性能进行评价。试验结果表明：疲劳荷载作用下,试件疲劳裂纹开展路径均从焊趾处萌生、沿焊趾开展、最终垂直于焊趾沿板横向往两侧对称扩展。采用名义应力法时,试验结果均位于JSSC-G疲劳强度为50 MPa的S-N曲线上方;采用热点应力法时,试验结果均位于Eurocode 3规范疲劳强度为100 MPa的S-N曲线上方。建议本试验构件疲劳细节的角焊缝疲劳强度取名义应力50 MPa、热点应力100 MPa。     

基于实测应变的钢桥面板疲劳寿命分析

为评估钢桥面板的疲劳寿命,在某大桥钢箱梁1/4跨截面的顶板与U肋连接焊缝处和横隔板弧形缺口处布置应力测点,进行24 h疲劳应力监测。根据实测数据,利用雨流计数法计算得到疲劳应力谱,并基于BS 5400规范对各应力测点的疲劳损伤状态进行评估。结果表明：横隔板弧形缺口周边测点的应力水平相对较高;各应力测试点以低幅值应力循环为主,其中应力幅为2~10 MPa的循环次数占90%以上,但最大应力幅值均超过了BS 5400规范规定的产生疲劳损伤的极限值。疲劳寿命分析表明,顶板与U肋纵向连接焊缝过焊孔处易产生靠近顶板部位的疲劳裂纹,横隔板与U肋腹板连接焊缝的疲劳寿命较低。     

正交异性钢桥面板疲劳裂纹锤击闭合修复试验

针对正交异性钢桥面板顶板与U肋连接焊缝疲劳构造细节,选取了3个已有焊根疲劳裂纹的局部足尺试件(ICR-1,ICR-2和DB-1)作为研究对象,对ICR-1和ICR-2进行裂纹锤击闭合处理(ICR处理)及维护后疲劳加载.对DB-1的一半疲劳裂纹进行ICR处理,并沿垂直裂纹方向切开,获取原始裂纹断面及锤击后裂纹断面,采用金相显微镜对锤击深度、浅层组织金相等进行分析.研究结果表明:ICR处理可大幅提高原始裂纹的扩展寿命;在ICR处理区域两侧均会萌生新的疲劳裂纹,新裂纹的扩展寿命大于原始裂纹;ICR处理后,原始裂纹开口得到了较好的闭合,重新形成共同受力的结构;ICR处理可使试件表面母材发生明显的塑性流动,产生偏向于焊根、沿板厚方向的挤压效果.     

钢桥面板顶板与U肋焊缝裂纹类型及扩展特征

为研究顶板与U肋焊缝各类型疲劳裂纹萌生及扩展特征,利用ABAQUS有限元软件建立钢桥面板节段模型,根据最大主应力及其方向分布,分析了不同轮载下的裂纹萌生位置和开裂趋势.结合顶板、U肋的受力与变形特征,利用FRANC2D二维断裂分析软件建立该疲劳细节开裂模型,通过分析扩展路径和应力强度因子,明确顶板与U肋各类型裂纹的受力成因与扩展特征.研究结果表明:当轮载横向位置偏离U肋正上方时,裂纹易萌生于焊根处;而轮载作用于U肋正上方时,裂纹易萌生于焊趾处;水平裂纹易在焊根处萌生并沿焊喉方向扩展,且焊根裂纹扩展的可能性和速率远大于焊趾处,尤其当U肋变形较大时.顶板、U肋面外变形分别易导致张开型的竖向和水平向扩展裂纹.     

钢桥面板U肋对接焊缝位置对疲劳受力性能的影响分析

从疲劳受力特征角度分析钢桥面板U肋对接焊缝设置位置的合理性.建立正交异性钢桥面板局部有限元模型,施加移动车轮荷载,确定U肋对接焊缝位置对该细节作用范围的影响,计算U肋对接焊缝上典型部位的纵向应力分布、横向应力幅变化,对比不同U肋对接焊缝位置下的疲劳应力特征.结果表明:不同U肋对接焊缝位置的影响范围一致,但疲劳应力特征显著不同:当U肋对接焊缝与横隔板之间距离的增加时,应力幅增加,且拉应力作用范围明显扩大,同时应力比发生了显著的改变.U肋对接焊缝布置在靠近横隔板一定范围内时,其抗疲劳性能相对于布置在两横隔板中间位置时更好.     

钢桥面板U肋底部非对称弧形缺口的应力特征

针对钢桥面板检测中U肋底部弧形缺口关于顶板U肋不对称现象,建立对称缺口与2种非对称缺口的有限元模型。首先确定了横隔板-U肋相交部位3个构造细节的应力最不利荷载位置,在此基础上研究了各细节的应力特征,分析了非对称弧形缺口各个构造细节的应力分布和应力组成的影响。结果表明：非对称缺口对各细节应力最不利荷载位置影响较小;非对称缺口影响下缺口偏小侧各细节应力均出现较大增幅;缺口偏小侧弧形缺口周边应力集中现象加剧,应力集中区域扩大并转移至横隔板焊缝端部;非对称缺口增大了横隔板-U肋连接刚度,导致横隔板面外应力占比下降,但部分工况下U肋腹板焊趾处面外作用增大。     

钢箱梁横隔板-U肋疲劳裂纹钢板加固参数分析

针对疲劳裂纹建立局部有限元模型,分析钢板加固机理,通过提取连接焊缝焊趾应力评价受损构件钢板加固效果,针对胶层应力分析钢板加固胶层破坏模式,提取裂纹尖端应力强度因子用于研究钢板加固效果。通过设置多种工况,研究加固件面积、形状、厚度等参数对于加固效果的影响。研究表明：针对横隔板弧形缺口-U肋焊缝细节,钢板加固可改善应力水平。钢板可直接贴合加固裂纹,加固作用体现为代替受损截面参与构件协同受力。钢板加固范围对于加固效果影响较大,沿连接焊缝方向延长加固件,可提升加固效果,短裂纹加固时适当增加板厚,设置十字形加劲肋加固效果劣于等效增加板厚。     

钢桥面板U肋对接焊缝疲劳裂纹扩展寿命分析

为研究正交异性钢桥面板U肋对接焊缝疲劳裂纹扩展寿命规律,建立正交异性钢桥面板U肋对接焊缝开裂模型,针对U肋对接焊缝开裂后沿表面、沿板厚两种情况分别进行裂纹扩展分析。通过计算裂纹尖端Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子,分别获得裂纹尖端应力、扩展角度的变化规律,然后结合Paris定律,基于断裂力学理论对两种情况下的裂纹扩展疲劳寿命进行评估。研究结果表明:表面疲劳裂纹两种裂纹尖端的扩展角度大致相同,呈对称扩展;当裂纹长度小于2.75mm时,板厚疲劳裂纹处于稳定扩展阶段,疲劳裂纹修复应尽量选择该稳定扩展阶段;通过对比可知,表面疲劳裂纹的扩展寿命是板厚疲劳裂纹扩展寿命的16.7倍,应对板厚疲劳裂纹扩展予以重点关注。     

正交异性钢桥面板疲劳易损区应力分析

盖板-U肋-横隔板三向连接节点是正交异性钢桥面板中最容易发生疲劳开裂的部位。采用ABAQUS软件建立了四跨连续正交异性钢桥面板结构的实体与板壳混合有限元模型。利用AASHTO标准疲劳车开展静力响应分析。发现最外侧U肋处的连接节点应力集中最为明显。在此基础上开展在单轮和横向双轮作用下各关键位置正应力的纵、横向影响线分析,并最终得到了后轴四轮同时作用的最不利荷载位置。进一步基于外推法对各疲劳易损区焊趾处的热点应力进行计算和分析,得到了相应的应力集中系数。结果表明:U肋外推区的应力分布比较符合线性外推准则,但横隔板外推区的应力呈现明显的非线性变化,建议采用二次外推方法。     

TIG熔修法改善含咬边缺陷焊接接头疲劳性能

接头焊趾区表面常常会存在一些焊接缺陷如咬边等，这些缺陷对接头承受动载荷的能力影响很大，疲劳裂纹往往从该部位更早地萌生．结合国产16Mn低合金中强钢，用TIG熔修法提高含咬边缺陷焊接接头疲劳强度，并延长其疲劳寿命．试验结果表明，咬边等焊接缺陷降低原始焊接接头疲劳强度10％～20％；与含缺陷焊态试件相比，TIG熔修处理后十字接头的疲劳强度提高70％，疲劳寿命提高5～8倍，与不舍焊接缺陷的焊态试件相比，疲劳强度提高34％，疲劳寿命延长3～4倍：原始咬边缺陷对TIG熔修处理后焊接接头的疲劳性能基本没有影响．     

斜拉桥钢桥面板焊缝裂纹贯穿后局部应力特征

为研究斜拉桥轴向力作用下顶板-U肋焊缝裂纹的扩展特征以及裂纹对顶板局部受力的影响，建立了全桥模型模拟斜拉桥的成桥状态.通过ABAQUS中sub-model功能将成桥状态下的位移和受力作为节段模型的边界条件并在节段模型中添加车辆荷载，分析带裂顶板的最不利荷载工况，在最不利荷载工况下分析了不同长度顶板-U肋焊缝贯穿裂纹的扩展特征以及其对顶板-U肋焊缝细节局部受力的影响.结果表明：考虑斜拉桥轴力作用，顶板-U肋焊缝焊趾和焊根处贯穿裂纹均为Ⅰ型为主的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹，轴向力作用对裂纹扩展影响较小；同一U肋中顶板-U肋焊缝焊根开裂会增加未开裂侧顶板应力，降低开裂侧焊缝应力；焊趾开裂会降低开裂侧顶板焊根应力，增加U肋焊趾应力和未开裂侧焊缝应力.     

考虑残余应力的钢桥面板-肋双面焊裂纹应力强度因子计算方法

建立焊接分析有限元模型,对顶板-纵肋双面焊构造的焊接过程进行数值模拟,拟合得到顶板焊趾细节沿板厚方向分布的横向残余应力分布经验公式;建立钢桥面板断裂力学数值模型,结合统一的权函数表达式,推导适用于顶板焊趾处裂纹最深点和表面点应力强度因子的新权函数,并将权函数计算的应力强度因子与有限元计算的应力强度因子进行对比。研究结果表明：顶板-纵肋双面焊顶板焊趾处残余应力沿板厚方向处于拉—压—拉状态,呈正弦函数分布;在二次应力分布下,权函数法与有限元法计算所得顶板焊趾处裂纹最深点应力强度因子最大相对误差为7.4%,表面点应力强度因子最大相对误差为4.1%;在焊接残余应力场下,权函数法与有限元法计算所得顶板焊趾处裂纹最深点应力强度因子最大相对误差为7.6%,表面点应力强度因子最大相对误差为8.6%;权函数法能有效计算钢桥面板-肋双面焊顶板焊趾处疲劳裂纹应力强度因子。     

纵隔板对钢桥面板构造细节疲劳应力的影响

为研究斜拉桥纵隔板对钢桥面板构造细节疲劳应力的影响,基于子模型方法分别建立了钢桥面板和顶板与U肋焊缝、横隔板与U肋焊缝以及U肋对接焊缝的有限元模型,分析不同构造细节的应力特征,确定横桥向最不利加载工况。在最不利工况下提取各关注点处应力时程,采用Goodman公式计算等效应力幅,以等效应力幅来衡量各构造细节处的疲劳性能。针对设置纵隔板影响较大的构造细节,分析设置纵隔板横桥向影响范围。研究结果表明:斜拉桥钢箱梁纵隔板构造增大了横隔板与U肋焊缝的等效应力幅,降低了其疲劳性能,而对顶板与U肋焊缝疲劳受力的影响可以忽略不计,对于与纵隔板相邻的两根U肋对接焊缝,设置纵隔板能够有效改善对接焊缝疲劳区域的受力性能。     

基于可靠性的S135钻杆疲劳裂纹萌生寿命预测

基于可靠性理论对S135钻杆疲劳裂纹萌生寿命预测进行系统研究,计算得到50%、90%、99%和99.9%可靠度条件下S135钻杆的疲劳裂纹萌生寿命预测方程。结果表明,服役过程中S135钻杆管体部位承受的附加应力载荷明显大于接头螺纹连接部位。在应力比为-1条件下,S135钻杆的疲劳强度约为500 MPa;在置信度为95%,误差为5%条件下,应力水平分别为660、620、580和540 MPa时的疲劳裂纹萌生寿命对数值分布符合正态分布规律,随着应力水平下降,疲劳裂纹萌生寿命对数值分布概率密度函数峰值逐渐降低,离散性逐渐增强。     

重庆两江大桥正交异性钢桥面板疲劳性能试验研究

为评估重庆两江大桥正交异性钢桥面板双向荷载下的疲劳性能,对由盖板、板肋和横隔板组成的箱形正交异性钢桥面板模型进行疲劳试验研究和有限元分析.采用应力等效方法,板肋与横隔板交叉细节部分采用1∶1足尺模型,横隔板开孔分别采用苹果形和钥匙形,面内和面外双向疲劳加载完成正交异性板结构设计寿命期及超长服役期的等效实桥疲劳应力幅作用下2 000万次疲劳试验.有限元值和实测值较吻合.在疲劳试验基础上,讨论横隔板开孔边缘、纵肋与横隔板焊接以及纵肋与盖板焊接3个关键部位的疲劳性能.研究结果表明:双向荷载作用下横隔板产生面外弯曲变形,易导致面外疲劳;正交异性钢桥面板构造未发现裂纹,疲劳寿命远超过设计寿命期.根据欧洲规范的疲劳等级分类检算,其疲劳强度满足使用要求.     

基于Fe-safe的K形对接焊缝疲劳分析

基于等效结构应力法和BS7608焊缝疲劳分析方法,分析了不同坡角的K形对接焊缝的疲劳性能.分别采用ANSYS和Fe-safe对其进行静力分析和疲劳分析,得到K形对接焊缝本身的疲劳寿命和焊趾处的疲劳寿命.计算结果表明,焊趾处存在明显名义应力集中且随着坡口角度的增大而增大;焊趾处疲劳强度最低,焊趾的疲劳强度随坡角的增大而降低;焊缝自身的疲劳强度随着坡角的增大而有所提高.增大焊缝坡口角度有利于焊缝自身的抗疲劳性能,却不利于焊趾,这对钢结构加工过程中焊缝坡角的选择具有参考意义.