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。     

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。     

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。     

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...     

气动冲击对顶板-U肋焊接残余应力的影响

为研究气动冲击技术对钢桥面板焊接结构残余应力场的影响,建立气动冲击处理顶板-U肋焊接有限元模型.首先对顶板-U肋焊接进行模拟,得到顶板-U肋焊接残余应力场的分布.焊接结果表明:顶板-U肋连接焊缝区域存在较大的残余应力,焊趾及焊根中部位置处存在较大的横向拉应力.在此基础上,建立气动冲击处理焊缝的动力学模型,研究冲击速度、角度和冲击头大小对焊趾附近横向应力的影响.气动冲击结果表明:气动冲击可以将焊缝处的残余拉应力转为残余压应力,形成半椭球形的压应力区,并通过试验对模型进行了验证.冲击参数中,冲击速度和冲击头尺寸对横向应力的影响较大,冲击速度及冲击头尺寸的增大,能提高压应力值大小及压应力区的范围.     

钢桥面顶板焊缝处共线双裂纹耦合扩展特性分析

为了研究钢桥面顶板与U肋焊缝处多疲劳裂纹间的耦合扩展效应,结合线弹性断裂力学理论与ABAQUS-FRANC3D交互技术,建立了钢桥面顶板-U肋焊缝处共线双疲劳裂纹的数值分析模型,对比分析了单裂纹和共线双裂纹的裂尖应力强度因子,揭示了裂纹间距、干扰裂纹尺寸对基础裂纹扩展特性的影响规律,并通过足尺节段试验对理论模拟进行了验证. 分析结果表明：共线裂纹相较于单裂纹的应力强化效应不可忽略,而相同尺寸双裂纹代表了多裂纹扩展的最不利情况,且当共线长裂纹的间距与裂纹长度比值s/c小于0.5时,裂纹交互影响因子及其扩展速率受耦合效应影响显著.     

钢桥面板钻孔工艺对止裂效果的影响分析

考虑实桥顶板角焊缝疲劳裂纹止裂孔的钻孔角度、钻孔偏心角度和钻孔深度,建立了顶板与U肋有限元模型,得到了桥面板顶板顶面与底面止裂孔两侧的应力分布情况。从孔边应力与裂纹扩展速率两个方面,对比不同参数下的止裂效果,提出了钻孔工艺参数的建议范围。研究结果表明:为了避免加速裂纹扩展,建议钻孔角度为0°~25°;对于焊趾裂纹,为了保证止裂孔孔周应力分布均匀,建议钻孔偏心角度为-15°~30°;对于未贯穿止裂孔,钻孔深度较浅时,其内侧应力较大且底面应力分布不均匀。     

钢桥面板U肋嵌补段对接焊缝多轴疲劳特征

为了研究U肋对接焊缝多轴疲劳特征,建立了钢桥面板节段模型与对接焊缝子模型,得出不同工况下对接焊缝上各关注点的应力状态。通过平板模型的单、多轴疲劳应力对比,提出了采用绝对值最大的主应力与主要应力分量的偏差作为评判多轴疲劳的依据。然后对U肋对接焊缝进行了受力分析与变形分析,并对比了影响该细节多轴疲劳的主要因素。研究结果表明:纵桥向正应力、截面弯曲剪应力和顶板厚度方向正应力的量值较大,是引起对接焊缝多轴疲劳开裂的重要原因;U肋弯曲应力占膜应力的比例很小,对接焊缝多轴疲劳开裂主要由面内变形引起;多轴疲劳效应随荷载中心线偏离U肋对称轴越发显著,单轴疲劳仅为荷载中心线与U肋对称轴重合时,在U肋对称中心点产生的瞬时效应。     

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.     

钢板梁桥腹板加劲肋焊缝疲劳开裂后的应力特征

通过建立钢板梁桥节段有限元模型分析了主梁腹板与加劲肋连接焊缝部位的开裂特征,基于最不利车辆荷载位置分析了腹板间隙不同横向荷载位置下的正应力与剪应力特征,以及裂纹长度的变化对腹板面外变形的影响;通过对比不同裂纹长度时裂纹尖端和裂纹最深点的应力强度因子值,分析了裂纹长度对裂纹前缘的受力特征以及扩展速率的影响.研究结果表明:...     

钢桥面板顶板-U肋双面焊连接焊缝焊接残余应力分析

为研究钢桥面板顶板-U肋双面焊连接焊缝的残余应力分布,建立了有限元模型.通过对比单面焊接与双面焊接模型计算结果,分析了顶板-U肋连接焊缝温度场与残余应力分布.同时讨论了顶板厚度与角焊缝焊接顺序对残余应力的分布影响.研究表明:相比单面焊,双面焊模型焊缝附近残余应力更低,且应力梯度更大,疲劳性能更优越.而增加顶板厚度和采用两条角焊缝先后焊接的操作顺序均有助于降低先焊接焊缝一侧的应力、增大焊缝附近应力梯度,并促使应力拐点的提前出现.     

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-顶板连接焊缝疲劳细节分析方法

目的对正交异性钢桥面板U肋-顶板连接焊缝的疲劳性能的分析方法进行系统研究,探讨有限元模型中关注细节附近网格划分大小以及疲劳荷载的加载方式对关注细节应力提取结果的影响,确定U肋-顶板连接焊缝细节的应力幅分析过程.方法应用有限元软件ABAQUS建立了局部的钢箱梁节段模型,利用壳单元对U肋-顶板连接焊缝细节进行疲劳分析,与实体单元的分析结果差别不大.结果横向加载分析时,将疲劳荷载布置于U肋正上方、U肋间和U肋腹板上方的加载方式既简化了加载步骤,又能得到细节的实际最不利荷载位置;纵向加载分析时,加载区网格大小不大于50 mm,荷载步大小不大于100 mm时可以得到比较精确的结果;车轮位置与纵肋-顶板连接焊缝横桥向距离大于1 500 mm,或纵桥向距离大于1 500 mm时,对焊缝的影响可以忽略.结论对于U肋-顶板连接焊缝细节应力幅分析过程为:确定各个细节应力最大值纵向加载点位置;在该纵向位置进行横向加载确定细节的最不利横向位置及对应的最不利加载位置;在最不利横向加载位置进行纵向加载得到最不利细节的纵向应力历程曲线,通过应力历程曲线计算该细节的应力幅.     

构造参数对顶板与U肋连接焊缝应力的影响

针对钢桥面板顶板与U肋连接焊缝在不同构造参数下的应力变化,分析该细节的受力机理,对比两种不同U肋构造的应力分布特征;建立局部足尺模型,通过提取顶板焊缝的应力梯度,分析应力的变化情况,得出顶板与U肋连接焊缝在不同构造参数下的应力分布规律。结果表明,截断U肋与完整U肋均可如实反映顶板与U肋连接焊缝的受力情况;顶板厚度与熔透率越大,顶板与U肋连接焊缝的总体应力越小,即改善受力性能的效果越好; U肋厚度对顶板与U肋连接焊缝的应力影响不大。     

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。     

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。     

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.     

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.