钢桥面板顶板-U肋焊缝裂纹萌生特征及扩展规律

【目的】研究轮载作用下钢桥面板顶板-U肋焊缝裂纹的萌生特征及扩展规律。【方法】通过有限元方法建立钢桥面板节段模型,分析了不同轮载位置下构造的变形特征,明确了轮载位置与典型变形特征的对应关系,相应建立了3种局部简化模型。在局部模型的基础上根据应力分布确定了裂纹萌生特征,并基于断裂力学进行裂纹扩展三维数值模拟。【结果】模拟结果表明,在以顶板为主的变形条件下,顶板焊趾和顶板焊根的最大主应力明显大于U肋焊趾处,裂纹产生后Ⅰ型应力强度因子远高于Ⅱ型和Ⅲ型;在以U肋为主的变形条件下,顶板焊根和U肋焊趾处的最大主应力垂直于U肋厚度方向,裂纹产生后Ⅱ型和Ⅲ型应力强度因子占Ⅰ型应力强度因子K的20%~30%。【结论】实桥中轮载偏离焊缝正上方时,疲劳裂纹易从顶板焊根和顶板焊趾处萌生且沿顶板厚度方向扩展,以Ⅰ型裂纹为主;当轮载位于焊缝正上方时,疲劳裂纹易从顶板焊根和U裂焊趾处萌生并大致垂直U肋腹板扩展,属于Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹,且扩展速率较快。

正交异性钢桥面板U肋对接焊缝疲劳寿命评估

基于江阴长江大桥U肋对接焊缝实时动态应变监测,结合雨流计数法以及BS5400规范,对江阴长江大桥正交异性钢桥面板U肋对接焊缝疲劳寿命进行了研究。通过标准车辆荷载模型以及车流仿真模拟,获得移动车辆荷载作用下焊缝处的应力变化,进行了损伤度计算,并将数值计算与实测分析结果作了详细对比。实测结果表明:慢车道与快车道应力幅分别为70与110 MPa,均超过了该部位的疲劳极限值,随着疲劳损伤累计可能发生破坏。计算结果显示车辆经过桥面时焊缝处产生了较大的应力幅,但以损伤累计以低循环累计为主。慢车道U肋对接焊缝处疲劳寿命低于大桥设计寿命,应当及时给予关注。

车轮位置对钢桥面板U肋对接焊缝的影响范围分析

通过建立正交异性钢桥面板局部有限元模型,计算车轮荷载下U肋对接焊缝的主应力,提取各测点最不利横向位置下的纵向应力分布,得到纵向影响范围.基于各测点随荷载横向位置变化的应力,得到各测点的荷载横向影响范围,对比单轮单次荷载作用下的损伤度获得U肋对接焊缝的易损部位.结果表明:车轮荷载位置对U肋对接焊缝的纵向影响范围约2个横隔板间距;U肋对接焊缝靠近顶板部位横向影响范围约为900 mm,其他部位影响范围约为600 mm,可忽略"多车效应";U肋对接焊缝靠近顶板位置为U肋对接焊缝中的易损部位.

U肋对接焊缝三维疲劳裂纹应力强度因子分析

U肋对接焊缝处易出现疲劳裂纹,为了分析该部位裂纹体应力强度因子对各关键参数的敏感程度及其简化计算公式,以港珠澳大桥为背景,利用ANSYS有限元软件,逐步建立了该桥正交异性钢桥面板U肋对接焊缝处三维半椭圆形裂纹体的精细化仿真分析模型,采用相互作用积分与有限元相结合的方法计算半椭圆形裂纹体应力强度因子,进行系统的参数分析,探讨了应力强度因子随各关键设计参数的变化规律,并根据有限元分析结果得出了应力强度因子计算公式。结果表明:应力强度因子对裂纹前缘位置和裂纹深度较敏感,而对顶板厚度、U肋厚度及U肋顶板宽度的敏感性较弱,基于响应面法得到的拟合公式计算应力强度因子具有较高的计算精度。

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.

钢桥面板顶板-U肋焊缝多轴疲劳效应评估

了评估顶板-U肋焊缝多轴疲劳效应,定义了主要应力分量为坐标轴向幅值最大的正应力。基于弹性力学对比了单、多轴疲劳应力,提出了采用绝对值最大的主应力与主要应力分量的偏差值δ作为多轴疲劳评判依据。建立了钢桥面板节段模型和顶板-U肋细节子模型,对细节处多轴疲劳变形和应力状态进行了评估。为了定量单、多轴疲劳寿命评估的差异,定义了疲劳寿命比R,理论推导得R-δ关系,并通过试验和有限元分析加以验证。研究结果表明:单轴荷载下绝对值最大的主应力等于主要应力分量,多轴荷载下两类应力存在偏差,偏差越大,多轴疲劳效应越显著;对于顶板-U肋焊缝,多轴疲劳效应随荷载中心线偏离焊缝位置越发显著,横隔板处顶板-U肋焊缝的多轴应力状态更为明显;R与δ3成正比,该关系为在单轴疲劳评估的基础上进行多轴疲劳寿命评估提供参考。

钢桥面板U肋对接焊缝疲劳细节有限元分析方法

为了研究正交异性钢桥面板U肋对接焊缝疲劳细节的疲劳性能,应用有限元软件ABAQUS建立了局部的钢箱梁节段模型。探讨了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,并确定了U肋对接疲劳细节的应力幅分析过程。研究结果表明:在确保与网格大小为0.5t时对比的精确度≥95%的情况下,U肋与横隔板连接处附近U肋网格大小最大可取2t;横隔板间U肋对接焊缝处的U肋网格大小最大可取8t;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;疲劳荷载加载分析时,钢桥面板盖板网格不大于100 mm,加载的荷载步不大于100 mm时可以得到比较精确的结果;对于U肋对接疲劳细节,正确的应力幅分析过程为:首先将疲劳车辆的双轴组纵向中心线与车道中心线相对应进行纵向加载,获得U肋对接细节取得应力最大值时对应的轮载纵向位置,然后在该纵向位置进行横向移动加载,确定U肋对接细节最不利的横向位置,最后在该最不利横向位置进行纵向加载获取纵向应力历程曲线,再通过应力历程曲线计算该细节的应力幅。

钢桥面板U肋对接焊缝疲劳寿命研究

以江阴长江大桥为研究对象,建立正交异性钢桥面板局部有限元模型,计算各种标准疲劳车作用下U肋对接焊缝处的疲劳应力幅,结合BS5400规范得到该细节相应位置的疲劳损伤度;建立车辆轮迹分布模型,将影响疲劳损伤的各参数矩阵化,根据实桥车流模拟结果,提出一种考虑轮迹改变的疲劳损伤计算方法.结果表明,U肋对接焊缝腹板处的损伤相对较小,靠近顶板部位、腹板与底板交接部位,以及U肋底部的损伤较为严重;考虑车辆轮迹改变后的疲劳寿命与实测结果吻合度较高,因此考虑车辆轮迹位置的改变可以提高寿命评估的精确度.

基于断裂力学和长期监测数据的钢箱梁桥顶板U肋焊缝疲劳可靠度分析

针对钢箱梁桥顶板U肋嵌补段对接焊缝的构造特点与受力状态,以润扬大桥钢箱梁为研究对象,基于线弹性断裂力学和长期监测数据,提出了该焊缝的疲劳可靠度分析方法.基于有限厚板半椭圆表面裂纹模型推导了焊缝的临界损伤累积函数,采用随机模拟的方法建立了临界损伤累积函数的概率模型.针对焊缝疲劳荷载效应的多峰分布特征,采用高斯混合分布建立了等效应力范围的概率模型.研究表明,顶板U肋嵌补段对接焊缝的临界损伤累积函数服从对数正态分布;焊缝等效应力范围的概率模型可表述为多个高斯分量的加权平均;润扬斜拉桥焊缝的疲劳可靠度显著大于相同位置的润扬悬索桥焊缝,反映了两桥钢箱梁局部构造的差异.该方法可为同类型桥梁的疲劳可靠度分析提供参考.

钢桥面板U肋与顶板双面焊连接疲劳性能研究

为确定钢桥面板U肋与顶板双面焊连接相比单面焊连接疲劳性能的改善效果,以某实桥正交异性钢桥面板节段为对象,采用ANSYS软件建立有限元模型,计算不同工况下各疲劳易损部位的切口应力幅,并分析双面焊连接疲劳性能的影响因素。结果表明:U肋与顶板双面焊连接的最大切口应力幅比单面焊时减小19.1%,能有效提高U肋与顶板连接焊缝的疲劳性能;U肋与顶板单面焊连接的最不利疲劳易损部位为焊根,而双面焊连接的最不利疲劳易损部位变为外侧焊趾;焊缝未熔透间隙长度和高度对U肋与顶板双面焊连接疲劳性能的影响较小;增大焊缝和顶板夹角可显著降低双面焊连接的最大切口应力幅,提高U肋与顶板双面焊连接的疲劳性能。

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.

钢箱梁横隔板-U肋疲劳裂纹钢板加固参数分析

通过建立带疲劳裂纹的钢箱梁横隔板-U肋局部有限元模型,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。通过提取胶层应力分析钢板加固后的胶层破坏模式,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:钢板加固可显著改善横隔板-U肋焊缝应力水平。钢板可有效贴合疲劳裂纹,加固作用体现为代替受损截面参与构件协同受力。钢板加固面积对于加固效果影响较大,沿横隔板与U肋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肋对接焊缝疲劳损伤特征分析

分别在大桥1/4跨截面快车道、慢车道U肋对接焊缝处布设测点,测量其应变历程曲线。对得到的应变历程曲线进行滤波与去极值处理。通过雨流计数法,计算相应的疲劳应力谱;结合英国BS5400规范,分析实桥在每个应力幅、应力循环作用下U肋对接焊缝处的疲劳损伤度,从而得快、慢车道U肋对接焊缝疲劳寿命。实验结果表明:慢车道U肋对接焊缝的疲劳寿命小于快车道U肋对接焊缝的疲劳寿命,快车道U肋对接焊缝的疲劳寿命约为慢车道U肋对接焊缝疲劳寿命的1.5倍;相对于U肋底部焊缝两侧的部位,U肋底部焊缝中央的部位疲劳问题更加严重,需要给予更多的关注。

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。

顶板与U肋焊缝水平裂纹钻孔止裂参数研究

建立顶板与U肋有限元模型,采用扩展有限元模拟顶板弯曲荷载与U肋变形次应力作用下的水平裂纹,计算裂纹在不同作用下的应力特征及应力强度因子,对比开裂前后顶板与U肋焊缝的应力分布变化。计算止裂孔位于裂纹或其延长线相切时,不同止裂孔位置下的顶板焊趾与U肋焊趾的应力变化,对比止裂孔外侧应力,确定合理的止裂孔位置。通过实桥测试,确定钻孔止裂对缓解水平裂纹应力集中的作用。结果表明：水平裂纹在承受顶板弯曲荷载作用时,表现为张开型与撕开型的复合裂纹,在受到U肋变形产生的次应力作用时,主要表现为张开型裂纹。钻孔止裂可以缓解水平裂纹的二次开裂,为了避免钻孔后顶板焊趾与U肋焊趾应力集中,减少裂纹扩展母材的削弱,建议止裂孔边缘恰好与裂纹尖端相切。

港珠澳大桥正交异性钢桥面板U肋对接焊缝疲劳寿命研究

基于线弹性断裂理论,建立了正交异性钢桥面板U肋对接焊缝的裂纹扩展数值模拟方法,通过模型试验验证了数值模拟方法的有效性和可行性;采用Monte-Carlo法对随机交通荷载进行模拟,获得了随机交通荷载作用下疲劳易损细节的应力历程和应力幅值谱。在此基础上,建立了基于概率断裂力学的U肋对接焊缝疲劳性能评价方法,以典型的正交异性钢桥面板连续梁桥——港珠澳大桥为研究对象,综合考虑了裂纹扩展模型中各参数的随机性,对U肋对接焊缝的疲劳性能展开研究。研究结果表明:所建立的裂纹扩展数值模拟方法能够较为准确地模拟裂纹扩展过程,可为该部位的疲劳寿命评估提供理论工具;U肋对接焊缝疲劳裂纹扩展呈现两阶段扩展特征;港珠澳大桥U肋对接焊缝疲劳寿命服从Weibull分布。

正交异性钢桥面板U肋对接焊缝疲劳损伤度分析

分别在江阴长江大桥1/4跨截面快车道、慢车道U肋对接焊缝处布设测点,测得该桥一天的应变历程曲线。基于雨流计数法以及Miner疲劳损伤累计准则,分析快、慢车道日损伤度分布规律,并提出了该桥U肋对接焊缝部位的日损伤分布模型,最后对U肋对接焊缝处的疲劳寿命进行评估。分析结果表明,快、慢车道出现损伤峰值的时间基本一致,但各峰值大小差异性较大,慢车道损伤峰值约为快车道损伤峰值的4.4倍;根据日损伤度分布模型得出的疲劳寿命拟合值与实测值吻合良好,可以应用于实际工程;大桥设计寿命约为慢车道U肋对接焊缝实测寿命的3.7倍,表明慢车道U肋对接焊缝的疲劳寿命远远不能满足设计要求,因此需要对慢车道U肋对接焊缝疲劳寿命给予特别关注。

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.

U肋-面板全熔透焊接接头疲劳性能试验

正交异性桥面板U肋-面板焊接接头为疲劳裂纹多发部位,为了提高U肋-面板焊接接头疲劳性能,分析目前规范中对该构造细节的疲劳设计要求以及疲劳问题依然存在的原因,在目前主要采用部分熔透焊形式的背景下,考虑引入全熔透焊接以期达到提高疲劳性能的目的。研究围绕一种全新的U肋-面板全熔透焊接接头的疲劳性能分别开展构造细节和节段足尺模型试验研究。试验结果表明:全熔透疲劳裂纹都是始于U肋内侧焊趾处,沿着U肋腹板厚度方向发展,部分熔透焊裂纹主要始于未熔透焊缝的焊根部位,沿焊喉方向发展,直至贯通整个焊喉,且在同样加载条件下,全熔透焊裂纹产生的加载次数明显高于部分熔透焊;全熔透焊的热点应力试验测试值与理论计算值基本一致,U肋焊趾部位应力集中明显,内侧受拉外侧受压,解释了疲劳裂纹起始点为U肋焊趾内侧;经回归计算得到热点应力疲劳强度为263.8 MPa;将足尺节段疲劳试验加载幅度对应的加载次数换算为公路桥梁规范单车轮轮载60 kN所对应的加载次数,2个试件加载次数都超过1.2亿次,且U肋-面板全熔透焊接接头依然没有疲劳裂纹产生,表明U肋-面板全熔透焊接接头具备优良的抗疲劳性能。