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...     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

T形肋正交异性组合桥面板力学性能

为了检验所提出的T形肋正交异性组合桥面板在局部车轮荷载作用下的受力特性及这种桥面板在桥梁第二体系中的受力性能,并区分其与常规桥面板的受力性能,设计制作了4个不同桥面板试件,其中包括一个混凝土桥面板,一个正交异性钢桥面板,两个不同尺寸的T形肋正交异性组合桥面板.通过静力试验测试了不同桥面板在荷载作用下负弯矩区混凝土开裂情况、桥面板不同部位的结构应变和变形等.试验结果表明T形肋正交异性组合桥面板在车轮荷载作用下其局部应力水平显著低于正交异性钢桥面板,相同宽度的T形肋正交异性组合桥面板其极限抗弯承载力分别是混凝土桥面板和钢桥面板的2.30倍和1.57倍以上,表明T形肋正交异性组合桥面板具有较强的抗疲劳性能.     

超高性能混凝土铺层提升钢桥面板疲劳性能试验研究

为明确超高性能混凝土（UHPC）铺层对钢桥面板疲劳性能的定量提升效果，考虑单轮和双轮两种加载模式，对正交异性钢桥面板典型的U肋?盖板?横隔板焊接节点在UHPC铺装前后的疲劳性能开展试验研究。首先基于静载试验得到焊接节点关键区域的热点应力分布，随后开展高周常幅疲劳试验，得到节点试件的疲劳裂纹萌生及扩展过程、疲劳破坏模式、刚度退化以及疲劳寿命等关键性能指标。结果表明：同等荷载作用下，钢?UHPC组合节点焊趾处热点应力值显著降低，最大降幅达58 %；与无UHPC铺层节点相比，钢?UHPC组合节点的疲劳裂纹数量减少，裂纹扩展速率和刚度退化速度得到了有效抑制，特征疲劳寿命也得到了大幅提高。国际焊接协会疲劳设计指南中的FAT 90、FAT100级S-N（应力幅?疲劳寿命）曲线可适用于UHPC铺装前后钢桥面板的疲劳寿命评估。     

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.     

复杂应力耦合作用下斜拉桥正交异性桥面板疲劳断裂

为研究随机车辆荷载与焊接残余应力等复杂应力耦合作用下,斜拉桥主梁正交异性桥面板焊接细节的疲劳断裂性能,以苏通长江大桥为工程背景,在调研统计交通量的基础上,基于Monte-Carlo法建立随机车辆荷载模型,分析随机车辆荷载作用下正交异性桥面板焊接细节的力学行为;基于ANSYS有限元软件,建立焊接细节热分析模型,模拟焊接加热过程与冷却过程,获得焊趾附近残余应力分布。将焊接残余应力作为初始应力,采用数值模拟获得随机车辆荷载与焊接残余应力耦合作用下正交异性桥面板焊接细节的疲劳应力谱。基于双参数疲劳裂纹扩展模型,考虑疲劳裂纹扩展裂纹闭合效应,分析随机车辆荷载与焊接残余应力耦合作用下,正交异性桥面板焊接细节疲劳裂纹扩展行为。结果表明:焊接残余应力与随机车辆荷载耦合作用下,焊接细节疲劳应力幅值远大于车辆荷载作用的应力幅值;在随机车辆荷载与焊接残余应力耦合作用下,正交异性桥面板顶板与U肋焊接节点的剩余疲劳寿命随裂纹长度的增大而下降;焊接残余应力的存在极大地降低了焊接节点的疲劳寿命,与仅考虑随机车辆荷载作用下焊接节点的疲劳寿命相比,焊接残余应力与车辆荷载应力耦合作用下的疲劳寿命下降30%～40%,且疲劳寿命降低幅度随残余应力的增大而增大。     

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.     

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。     

正交异性钢桥面板纵肋现场对焊接头的疲劳性能

对八个含有正交异性钢桥面板角钢纵肋现场对接的试件进行了静力和疲劳试验研究,纵助接头采用手工仰焊,考虑了纵肋对中偏差．试验结果表明纵肋对中偏差对接头的疲劳性能有重要影响,经回归分析得到的疲劳强度曲线可达到我国钢结构设计规范GBJ17——88的第四类．正交异性钢桥面板纵肋现场对焊接头的疲劳性能@童乐为@沈祖炎     

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.     

开口U形肋组合桥面板基本力学性能

为了检验所提出的开口U形肋组合桥面板在桥梁使用中的受力性能,并区分其与常规桥面板的受力性能,设计制作了3个不同桥面板试件,其中包括1个混凝土桥面板、1个正交异性钢桥面板、1个带U形肋组合桥面板.通过静力试验测试了不同桥面板在荷载作用下负弯矩区混凝土开裂情况、桥面板不同部位的结构应变和变形、极限承载力等.试验结果表明,在车轮荷载作用下,开口U形肋组合桥面板的应力远远低于正交异性钢桥面板的应力,避免了桥面板钢结构疲劳的发生;在重量比混凝土桥面板小57%的情况下,组合桥面板的承载力是混凝土桥面板的1.42倍;在用钢量约为钢桥面板1/2的情况下,二者的承载力相当.     

基于3D-DIC的正交异性钢桥面板横隔板开口处疲劳性能试验研究

利用三维数字图像相关技术(3D-DIC)研究了一种新型半开口正交异性钢桥面板横隔板开口部位的疲劳性能.结合宁波舟山港主通道正交异性钢桥面板疲劳试验,对开口部位进行3D-DIC测量,得到了1 000万次疲劳加载过程的开口区域全场位移和应变数据.在此基础上,对位移场和应变场进行演化过程分析,得到了横隔板开口部位的疲劳性能演化规律.结果表明:1 000万次疲劳加载过程中,新型半开口正交异性钢桥面板横隔板开口部位未出现疲劳裂纹,新型结构的横隔板开口部位抗疲劳性能增强,并且能充分利用材料性能来抵抗疲劳破坏.但开口部位也出现了局部屈服现象,为防止实际应用过程中产生过大的塑性变形,其结构形式需进一步优化.