不同参数组合下纵肋顶板焊趾处裂纹扩展变化规律分析

疲劳荷载作用下,正交异性钢桥面板纵肋顶板焊趾处易产生疲劳裂纹.通过寻找焊趾处裂纹变化规律,可以预测裂纹扩展情况,不同结构参数组合下焊趾处裂纹变化规律会存在一定差异.文章通过建立纵肋顶板焊接细节的试件有限元模型,提取焊趾处裂纹扩展长度和裂纹扩展深度,分析应力幅大小、熔透率和顶板厚度等参数对焊趾处裂纹变化规律的影响.结果表...     

钢桥面板盖板-U肋焊缝平面内双裂纹扩展研究

对大跨度桥梁正交异性钢桥面板盖板-U肋焊接部位平面内双裂纹扩展规律进行研究,基于单裂纹扩展理论,采用相互作用积分法计算裂纹尖端应力强度因子和最大能量释放率(MERR)准则确定扩展方向,根据等效裂纹前缘原则研究双裂纹扩展到一定阶段后的融合及失效的全过程,并以安庆长江大桥正交异性钢桥面板盖板-U肋焊趾部位为研究背景,探寻其平面内双裂纹的扩展发展规律,获取双裂纹扩展下的疲劳寿命.结果显示:焊趾处平面内双裂纹是由I型主导的I-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹扩展融合过程;两个初始裂纹在各自区域内呈单裂纹扩展达到融合,融合后裂纹长轴方向扩展速度较快,最终形成新的单裂纹直至构件损坏.     

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.     

正交异性钢桥面横向焊接接头的疲劳寿命估算

针对正交异性铁路钢桥面构造细节,设计2个足尺钢桥面构件进行静载和高周疲劳承载试验。在试验研究的基础上,建立钢桥面有限元模型,并进行分析计算,计算结果与试验值基本吻合。在1阶段模型的基础上,采用子模型技术建立纵肋焊缝位置带半椭圆表面裂纹的2阶段模型,用退化奇异单元模拟该部位裂纹尖端应力场,通过位移外推得到不同裂纹深度下裂纹尖端的应力强度因子K。基于初始裂纹尺寸的合理判定,对Paris公式积分推导得到纵肋焊接接头裂纹扩展曲线并估算疲劳寿命,计算结果解释了试验中裂纹的萌生和发展规律。建议钢桥面纵肋焊接接头按EC33中的71级或铁路桥梁钢结构设计规范中IX细节进行疲劳设计。     

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.     

基于热点应力的钢桥面典型构造细节疲劳分析

正交异性钢桥面具有轻质、高性能、施工便捷等应用优势,但其构造复杂且多采用焊接工艺,在反复交变车辆轮载作用下疲劳开裂问题突出。其中,顶板与纵肋连接焊缝(简称顶板-纵肋焊缝)和纵肋与橫肋连接焊缝(简称纵肋-橫肋焊缝)是两类最突出和最具代表性的构造细节。本文采用名义应力法和三种常用热点应力法,在充分考虑交通量对荷载修正的基础上,对上述两类钢桥面典型构造细节开展了精细化有限元分析,确定疲劳应力幅,并进行疲劳检算。通过分析和对比各疲劳评价方法,提出适用于各类构造细节的计算方法。分析结果表明,分析顶板-纵肋构造细节和纵肋-橫肋焊趾截止处纵肋腹板竖向开裂推荐采用表面线性外推方法(Linear Surface Extropolation, LSE)方法,分析纵肋-橫肋焊趾截止处纵肋腹板横向开裂推荐采用Dong方法。研究结果可为正交异性钢桥面的评估、设计和应用提供参考。     

共线双裂纹应力强度因子计算方法

为了在工程中快速准确地估算含共线双裂纹平板表面及最大裂纹深度位置的应力强度因子,提出一种基于裂纹表面最大张口位移估算三维体表面共线双裂纹沿表面及深度方向应力强度因子的新方法.该方法首先以三维体表面单裂纹沿表面和深度方向应力强度因子为基础,通过简单修正,提出了共线双裂纹应力强度因子的计算模型;然后基于有限元数值模拟,考虑了共线双裂纹的间距、裂纹形状比和裂纹长度比等因素对修正系数的影响,建立了多种情况下共线双裂纹应力强度因子的修正系数的量化模型;最后得到了适合工程应用的基于裂纹表面最大张口位移估算共线双裂纹应力强度因子的简便方法.     

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。     

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。     

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。     

管道轴向双裂纹夹角对尖端应力强度因子的影响

管道裂纹应力强度因子的分析是裂纹是否扩展判断和管道疲劳断裂计算的关键.应用通用有限元软件ANSYS对不同管道外径、裂纹尺寸、不同夹角下含轴向双裂纹管道裂纹尖端应力强度因子进行了计算.结果表明,管道和裂纹尺寸确定时,裂纹尖端应力强度因子随裂纹间夹角增大而增加;管道尺寸确定时,随着裂纹长与壁厚比增加,夹角对裂纹尖端应力强度因子影响增强.通过分析夹角对双径向裂纹应力强度因子的影响,为工程实际中合理地判断裂纹扩展可能性和精确地进行管道疲劳断裂计算提供参考.     

桥式起重机桥架疲劳裂纹扩展的数值分析

采用有限元方法,计算某桥式起重机桥架的最大主应力分布,通过应力状态判断桥架某处裂纹的主要断裂类型,并利用扩展有限元方法(XFEM),计算桥架在最大载荷和最小载荷两种状态下不同裂纹长度时裂纹的尖端应力强度因子(SIF),由此根据Paris疲劳裂纹扩展公式的基本理论,描述该处疲劳裂纹扩展的基本规律,建立裂纹长度与交变应力循环周期数的函数关系,对起重机桥架裂纹短期内快速扩展的原因给出量化分析。结果表明,低应力的循环作用是该处裂纹形成和快速扩展的原因。     

两条等长共线裂纹尖端塑性区扩展理论研究

采用Kachanov法基本思想求解2条等长共线裂纹相互作用下裂纹的应力强度因子,分别基于Mises屈服准则和D-P屈服准则推导了裂纹尖端塑性区半径的表达式,并求得裂纹相互作用下塑性区半径的扩大倍数,其值为2条裂纹相互作用下的应力强度因子与单裂纹状态下应力强度因子比值的平方。在此基础上,分析了裂纹间距对塑性区扩展的影响。研究发现,同一裂纹倾角下裂纹间距与裂纹长度比值越小,2条裂纹尖端的塑性区半径越大,裂纹尖端塑性区扩展速度越快,直至塑性区发生接触,且不同的裂纹倾角,裂纹尖端塑性区发生接触的条件不同。     

不同角度裂纹缺陷对材料动态断裂行为的影响

采用新型数字激光动态焦散线试验系统,对含相互垂直和相互共线两种裂纹缺陷介质在冲击载荷作用下的动态断裂行为进行了研究。结果表明:在动态冲击载荷的作用下,边裂纹缺陷处应力集中程度远大于试件的内部裂纹缺陷处应力集中程度;当裂纹从垂直内部裂纹缺陷的端部再次起裂时,表现为Ⅰ/Ⅱ复合型断裂;起裂后,裂纹的断裂模式很快由Ⅰ/Ⅱ复合型向Ⅰ型转化;而对于内部共线裂纹缺陷而言,裂纹的起裂和扩展始终表现为Ⅰ型断裂形式。当内部裂纹缺陷垂直于边裂纹时,内部垂直裂纹缺陷对边裂纹扩展的裂纹尖端的应力强度因子和裂纹扩展速度均有抑制作用;且当裂纹再次从内部垂直裂纹缺陷处起裂后,裂纹的扩展速度和应力强度因子也较共线裂纹缺陷时的高;裂纹扩展速度与裂纹尖端的动态应力强度因子呈正相关性。     

基于断裂力学的锚拉板疲劳寿命评估

为研究斜拉桥锚拉板结构的疲劳性能,以一座叠合梁斜拉桥为例,采用最新钢桥规范的疲劳荷载模型加载并按雨流法处理计算了疲劳荷载谱,结合空间实体有限元模型,识别了锚拉板的典型构造细节并获得疲劳应力谱;在典型构造细节处引入初始表面裂纹,计算了裂纹尖端的应力强度因子,回归分析得到应力强度因子与裂纹尺寸的关系式,代入Paris公式积分得到了各典型构造细节的疲劳寿命,从而建立了基于断裂力学的锚拉板疲劳寿命分析方法.研究结果表明:基于断裂力学方法得到的锚拉板疲劳寿命超过了100年,满足设计及使用要求;裂纹初期扩展很慢,当尺寸达到10mm时,已消耗了60%~80%的疲劳寿命,应及时加以补强.     

钢箱梁疲劳裂纹气动冲击法维修效果评估

以实桥疲劳裂纹为研究对象,从应力和应力强度因子角度评估气动冲击维修方法的现场实施效果.对维修前后疲劳裂纹尖端附近的应力分别进行24 h数据采集,并采用雨流计数法,探讨裂纹尖端应力幅的变化规律.结合应力强度因子测试理论,对比研究裂纹尖端应力强度因子幅的变化规律.研究结果表明:本测点疲劳裂纹为典型的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,维修后疲劳裂纹尖端张拉和剪切应力幅均得到有效降低,改善了裂纹尖端受力条件.高应力强度因子幅的循环次数显著降低,表明气动冲击维修技术对于制约复合型裂纹扩展具有良好效果.     

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.     

钢桥板疲劳裂纹修复进展及合金贴片法研究

为加深对正交异性钢桥面板疲劳开裂问题以及疲劳裂纹修复技术研究的认识,首先对钢桥面板的疲劳开裂特征进行阐述,通过文献调研梳理了钻孔止裂法、加补强板法、热修复法、机械修复法以及组合桥面铺装改进法的相关应用与研究,并探讨各种修复方法的修复机理及适用性。最后展望了智能材料形状记忆合金（shape memory alloy,SMA）在未来钢桥面板疲劳裂纹修复中的应用前景。研究结果表明：钢桥面板疲劳开裂修复受重载交通量大、焊缝数量众多及操作空间狭小等特殊现场环境制约,需根据不同裂纹特征开展针对性修复工作。提出的形状记忆合金修复法在钢桥面板疲劳裂纹修复工作具有前瞻性。其中SMA-CFRP组合贴片利用SMA丝材产生的预应力和CFRP提供的刚度相结合,进一步强化对裂纹开展的抑制效果,而粘贴铁基SMA板在具备以上优点的同时还兼具易施工和低成本的优势。因此采用SMA贴片法可为钢桥面板疲劳裂纹修复提供新思路,有望延长钢桥面板的使用寿命。     

含夹杂超导体中共线裂纹的相互作用

建立一个含有圆形夹杂和纵向贯穿共线裂纹的YBCO超导平板模型,在外加磁场产生洛伦兹力的作用下,研究含有夹杂的YBCO超导体中两个共线裂纹的相互作用,采用Bean模型描述超导体的电磁行为.通过确定裂纹尖端的应力强度因子(SIFs)并进行相关的磁弹性应力分析.结果表明外磁场大小、粘性磁通量流速v₀夹杂物的大小、裂纹长度、夹杂半径以及夹杂与基体杨氏模量之比对应力强度因子都有影响.     

Problems of antiplane strain of electrically permeable cracks between bonded dissimilar piezoelectric materials

The electrically pcrmeable slit crack within a piezoelectric body is treated as a bonded interface in electrostatics. The electric boundary conditions along the interface should be the continuity of the tangent component of the electric field strength and the normal component of thc electric displacement. Using such boundary conditions, the problems of antiplane strain of collinear cracks between bonded dissimilar piezoelectric materiala are exactly analyzed. Solutions of the complex potentials in a closed form are given for a single and two interface cracks. It is shown from the solutions that the stress, strain, electric field strength and electric displacement have (1/2) type of singularity at the crack tip, and the energy release rate for crack propagation depends only on both stress intensity factor and strain intensity factor.