初始缺陷角度对钢桥面纵肋顶板焊缝应力强度因子影响分析

初始缺陷在钢桥面板工厂焊接加工时难以避免,是影响钢桥面疲劳性能的重要内在因素.为研究初始缺陷角度对纵肋顶板焊缝疲劳开裂的影响,建立了包含典型初始缺陷工况条件下的有限元模型,分析得到了裂纹前缘应力强度因子.计算结果表明:竖向初始缺陷状态下的裂纹扩展能力最强;初始缺陷从竖向偏转至45°过程中,偏转角越大,张开型应力强度因子越小,滑开型和撕开型应力强度因子越大.断裂参数数值计算方法与分析结果可为相关钢桥面构造抗疲劳分析提供参考.

纵向轮距对钢桥纵肋顶板焊接细节疲劳寿命影响分析

纵肋顶板焊接细节疲劳失效严重威胁钢桥运营安全,而轮载纵向距离是影响该细节疲劳寿命的因素之一。文章以某大跨度斜拉桥主梁桥面板为研究对象,基于断裂力学分析,计算了不同纵向轮距下纵肋顶板焊接细节焊根处裂纹的应力强度因子,并得到了疲劳寿命。研究发现,当纵向轮距超过1600mm后,疲劳寿命明显延长。建议疲劳验算时结合实桥车流情况,合理选定等效疲劳车纵向轮距。

铺装层对钢桥面板横隔板处纵肋顶板连接细节疲劳应力的影响分析

为研究铺装层对横隔板处纵肋顶板连接细节疲劳应力的影响,文章基于热点应力评估方法,建立了包含该细节局部子模型的有限元分析模型。数值模拟结果表明:在该模型结构尺寸下,考虑铺装层与顶板联合作用后,横隔板处纵肋顶板连接细节热点应力幅由59.6 MPa降至51.2 MPa。考虑到大跨度桥梁环境状况复杂,建议疲劳设计时不考虑铺装层与顶板的联合作用。

基于断裂力学的钢桥面板纵肋顶板焊缝疲劳效应分析

为了系统研究钢桥面板纵肋顶板焊缝的疲劳效应,基于断裂力学相关理论,依托有限元软件,建立了钢桥面板疲劳裂纹扩展数值模拟方法,并通过实际案例验证了方法的可行性。在此基础上,构建了包含初始裂纹体的钢桥面板RD细节单面焊、RD细节双面焊、RDF细节单面焊和RDF细节双面焊数值有限元分析模型。计算得到了不同细节I型、Ⅱ型和Ⅲ型应力强度因子的纵向历程,获得了等效应力强度因子幅值。经对比分析,确定了钢桥面板纵肋顶板焊缝不利细节,并选取RDF细节双面焊进一步探究了疲劳效应关键影响因素。结果表明:RD细节单面焊、RD细节双面焊、RDF细节单面焊和RDF细节双面焊疲劳裂纹均为I型为主导的Ⅰ-Ⅱ型复合疲劳裂纹;RDF细节单面焊和双面焊等效应力强度因子幅值分别为RD细节的1.5倍和1.2倍;与单面焊相比,RD细节和RDF细节双面焊等效应力强度因子幅值分别降低了12.0%和41.8%,双面焊疲劳性能具有明显优势;就RDF细节双面焊而言,顶板厚度由14 mm增加至18 mm时,疲劳寿命增加915.0万次,初始裂纹深度由0.2 mm增加至1.5 mm时,疲劳寿命降低300.2万次;横隔板厚度、横隔板间距和初始裂纹长度对该细节疲劳寿命影响较小,当裂纹扩展至一定深度后,裂纹形态不再受初始裂纹尺寸的影响,裂纹扁平率将趋于一致。

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。结果表明:应力幅和熔透率大小对裂纹变化规律不会产生影响,而顶板厚度对裂纹变化规律会产生一定的影响,但最大差别仅为1%。根据焊趾处裂纹扩展规律变化曲线,提取了焊趾处裂纹扩展规律代表曲线。

不同参数组合下纵肋顶板焊根关键测点应力变化分析

正交异性钢桥面板纵肋顶板焊接细节焊根处在车辆荷载反复作用下易产生疲劳裂纹,通过监测焊根附近关键测点应力变化可以判断结构裂纹的扩展情况,不同结构参数组合下裂纹变化情况会存在差异。通过建立纵肋顶板焊接细节的试件有限元模型,通过提取离焊根5 mm处测点的应力,分析了应力幅大小、熔透率和顶板厚度等参数对焊根关键测点的应力变化的影响。结果表明:应力幅大小对曲线变化不会产生影响,而熔透率和顶板厚度在曲线变化后期对曲线会产生一定的影响。

基于断裂力学的钢桥面板纵肋顶板焊接细节疲劳性能对比研究

正交异性钢桥面板纵肋顶板传统单面焊焊接细节疲劳危害突出,文章采用新型双面焊焊接细节是提高其疲劳抗力的有效措施之一。针对纵肋顶板两类焊接细节,基于断裂力学评估方法,采用ANSYS有限元软件,分别在其主导疲劳失效模式裂纹萌生点位置引入初始裂纹,对其疲劳性能进行了深入系统的对比研究,结果表明:钢桥面板纵肋顶板单面焊和双面焊焊接细节疲劳裂纹扩展模式均为I型为主的复合型裂纹扩展模式,两类焊接细节I型和III型裂纹扩展规律基本一致,但II型裂纹扩展特性存在显著差异;在标准疲劳车最不利荷载工况作用下,纵肋顶板单面焊和双面焊焊接细节疲劳寿命分别为739.0×104次和1 075.3×104次,双面焊焊接细节疲劳寿命约提高了1.46倍,其疲劳性能更优。

不同参数组合下纵肋顶板细节疲劳开裂时焊趾关键测点应力变化分析

文章主要内容是对纵肋顶板焊接细节在不同参数组合情况下疲劳开裂对焊趾附近应力下降影响进行分析。纵肋顶板焊接细节是钢桥面板中占比较大的疲劳易损细节,且一旦疲劳开裂对结构影响较大,因此对此焊接细节进行深入的研究具有重大的工程实际意义。通过监测焊趾附近关注测点应力变化可以预测结构裂纹的发展情况,但是不同结构参数组合下变化情况可能存在差异。通过建立纵肋顶板疲劳细节的试件试验的有限元模型,通过提取中心离焊趾5 mm处测点的应力,对比不同参数下焊趾关键测点的应力下降随裂纹扩展的变化规律。通过对比发现,当取不同熔透率时,焊趾关键测点应力下降随裂纹扩展规律基本一致;取相同熔透率时,增加顶板厚度会延缓关键测点应力下降随裂纹扩展的过程。

钢桥面板纵肋顶板焊缝多裂纹扩展特性

为探明钢桥面板纵肋顶板焊缝焊趾多裂纹扩展形态变化及竞争机制,基于断裂力学理论并联合运用ABAQUS与FRANC3D,在验证数值模拟方法可靠性的基础上,建立钢桥面板节段模型,在焊趾区域植入共面或异面裂纹,进行裂纹扩展对比分析。结果表明:共面裂纹在扩展过程中存在单裂纹扩展、裂纹融合及融合后扩展3个阶段,裂纹融合时最深点处扩展速率陡增,且中点处扩展速率大于两侧,进而裂纹趋于半椭圆形,融合后扩展过程中形状比逐渐减少;焊趾与热影响区裂纹构成的异面裂纹间存在扩展竞争机制,初始尺寸相同时,随着多裂纹扩展的进行,裂纹尺寸差异逐渐放大,裂纹间相互作用对热影响区裂纹扩展的抑制作用也逐渐增强,并且热影响区裂纹在扩展至一定深度时,因裂纹尖端ΔK_(eff)低于门槛值而停止扩展,此深度随异面间距s_(2)增加而增加;率先到达疲劳破坏临界值的主导裂纹,在尺寸比≤1.4时为焊趾裂纹,≥1.5时为热影响区裂纹。

UHPC提升钢桥面板顶板-纵肋连接疲劳性能研究

文章采用有限元模型分析了在有UHPC铺装层及无刚性铺装层情况下横隔板处及横隔板间顶板-纵肋连接典型构造细节的轮载作用效应,并讨论了UHPC铺装层提升钢桥面板顶板-纵肋连接疲劳性能效果。研究结果表明,在无刚性铺装层情况下,构造细节HG、HZ、HL、DG、DZ和DL的最不利应力分别为-103.5 MPa、-56.8 MPa、8.9 MPa、-92 MPa、-97.5 MPa和-62.5 MPa,采用50 mm厚UHPC铺装层后,各构造细节最不利应力分别下降为-7.9 MPa、-9.5MPa、-8.3 MPa、9.0 MPa、7.5 MPa和-14.4 MPa;UHPC铺装层对钢桥面板顶板-纵肋连接的疲劳性能提升明显,各构造细节在轮载作用下的应力均小于疲劳截止限,不存在疲劳开裂风险。

钢桥面板纵肋顶板焊缝疲劳裂纹扩展的关键影响因素

正交异性钢桥面板疲劳问题突出,纵肋与顶板焊缝处是其关键疲劳易损部位,研究该部位疲劳裂纹的扩展过程并确定关键影响因素及其效应,有助于深刻理解其疲劳损伤机理.建立正交异性钢桥面板疲劳试验节段模型的有限元分析模型,将纵肋与顶板焊缝焊根处的疲劳裂纹近似为半椭圆形裂纹,基于断裂力学实现其扩展全过程的三维数值模拟.在此基础上研究初始裂纹的纵向位置和初始裂纹形状对疲劳裂纹扩展过程的影响,阐明扩展过程中的疲劳裂纹的形状变化,以及疲劳裂纹关键部位应力强度因子幅值的变化规律.研究表明:对于典型的正交异性钢桥面板纵肋与顶板焊缝,在纵向一段范围内,初始裂纹的纵向位置对裂纹扩展的影响不大;初始裂纹形状对裂纹扩展的影响主要体现在裂纹扩展的初始阶段,经过一段时间的扩展之后,不同形状的初始裂纹将演变为相对稳定的形状;持续一段时间后,裂纹将逐渐变得较为扁长;疲劳裂纹在深度方向上扩展超过约顶板厚度一半时,最深点的扩展速率将会减慢;深度相同的裂纹,形状越扁长时越倾向于向深度方向扩展,越不扁长时越倾向于向长度方向扩展.

钢桥面板顶板-纵肋连接接头的疲劳性能

对钢桥面板整体模型进行了有限元分析。结果表明,顶板横向应力在横桥向的分布表现出类似弹性支承多跨连续梁的受力特点,且顶板横向应力基本全部为弯曲应力,膜应力很小,在顶板-纵肋连接处纵肋应力远小于顶板横向应力。顶板-纵肋连接处的应力纵向和横向影响线很短,疲劳验算可不考虑同一车辆轴重间的相互影响及多车效应。增加顶板厚度可大大降低顶板的应力幅,铺装层的完整性对钢桥面板十分重要。此外,还对该类型接头的疲劳分级及现行欧洲规范Eurocode和美国规范AASHTO LRFD的相关条款进行了分析。为考虑车辆荷载通过引起的非成比例多轴疲劳效应,轮荷载滚动加载足尺模型试验和分析方法需要进一步深入研究。

Q370qE钢桥面板顶板-纵肋焊接残余应力试验研究

为研究Q370qE钢桥面板顶板-纵肋焊接细节残余应力,采用钻孔应变法对足尺正交异性钢桥面板试件进行了试验研究,得到了顶板表面纵、横焊接残余应力分布,分析了不同强度钢材对残余应力分布模型的影响.结果表明:顶板下表面的纵向残余应力σZ约为上表面的2倍,而横向残余应力σX则差别不大;由于残余应力受焊接顺序影响较大,导致较晚施工的焊缝所在顶板上表面σZ减小而σX增大,而顶板下表面σZ增大而σX减小.基于实测数据和数值模拟结果,提出了适用于Q370qE钢的纵向残余应力分布模型,其较Q235A或Q345钢材在焊缝附近具有更高的应力峰值和更大的应力梯度,在远离焊接区域则具有较小的压应力值.

顶板-纵肋焊接细节残余应力的松弛效应

为了准确把握钢桥面顶板-纵肋焊缝位置的真实拉、压状态和应力比对正交异性钢桥面板(OSD)疲劳寿命的影响,通过建立焊接残余应力与车载应力的耦合应力分析模型,构建焊接残余应力和车辆荷载耦合作用下的应力比、等效应力幅等疲劳参数计算方法,形成了焊接残余应力与车载应力的耦合应力精细化计算方法.以江阴长江大桥为例,应用该方法,开展车辆荷载和残余应力场对疲劳损伤的定量分析.案例分析表明,焊缝位置残余拉应力在叠加了以拉应力为主的循环车载应力后,纵、横向应力松弛大小均超过车载应力峰值,出现明显的应力松弛现象,而叠加以压应力为主的循环车载应力后,应力松弛效应不明显;与仅考虑车载应力作用下的焊缝位置应力状态相比,考虑焊接残余应力和车载应力耦合作用之后,压应力循环工况焊缝位置疲劳应力状态发生了本质变化,即由不需要进行疲劳验算的压应力状态变为拉应力状态;拉应力循环工况的疲劳状态虽未改变,但该状态下焊缝位置的疲劳寿命由无限变为有限.

板件厚度对钢桥面板顶板纵肋焊接残余应力的影响分析

为考察板件厚度变化对正交异性钢桥面板顶板-纵肋焊接残余应力的影响规律,采用ANSYS有限元软件的生死单元技术和热-结构耦合分析方法,对顶板-纵肋焊接细节进行了数值模拟,得到其焊接残余应力分布,并重点分析了板件厚度变化对焊接残余应力的影响规律.研究结果表明,横向残余应力在焊趾和焊根附近达到最大值,其数值约为材料屈服强度的2/3;纵向残余应力在焊缝中心处达到最大值,其数值已超过材料屈服点.板件厚度变化对纵向残余应力影响不明显,对横向残余应力影响较大,当顶板件厚度由12 mm增大到20 mm时,横向残余应力最大值增加45%.基于分析结果,建立了不同板件厚度的焊接残余应力统一分布模型,为顶板-纵肋焊接残余应力的研究与设计提供参考.

焊接微裂纹缺陷对顶板与纵肋构造疲劳性能影响研究

为研究焊接微裂纹缺陷对正交异性钢桥面板顶板与纵肋构造疲劳性能的影响,首先采用扫描电子显微镜对实际桥梁结构的焊接断面进行缺陷检测,统计分析微裂纹尺寸和分布特性,然后基于既有试验和有限元分析方法,结合断裂力学理论,评估不同微裂纹缺陷对构造细节劣化效应的影响,并分析焊接微裂纹关键特征参数对构造细节疲劳性能的影响。结果表明:顶板与纵肋构造的焊趾及焊根处普遍存在微裂纹缺陷,焊根处微裂纹尺寸(平均值150.7μm、标准差100.8μm)大于焊趾处(平均值29.8μm、标准差17.4μm);顶板与纵肋构造细节主导失效模型主要由微裂纹尺寸决定;构造细节疲劳寿命直接由焊接微裂纹尺寸决定,其疲劳强度为100~200 MPa;疲劳裂纹最终扩展方向与焊接微裂纹初始角度无关,仅受实际受力状态影响。

中、欧规范下钢桥面板纵肋与顶板焊接节点疲劳性能评价

纵肋与顶板焊接细节是钢桥面板重要的疲劳易损细节,目前研究大多通过S-N曲线对该细节进行疲劳评价,未能考虑初始缺陷影响。文中基于线弹性断裂力学理论,利用ANSYS有限元软件,综合对比了中、欧规范下纵肋与顶板焊接细节疲劳性能。研究表明,中、欧规范2种疲劳工况下,纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹均以张开型裂纹为主,欧洲规范下裂纹扩展速率整体快于国内规范,由Paris公式得到国内规范疲劳寿命为1090万次,欧洲规范疲劳寿命为543万次。

基于ANSYS的钢桥面板横隔板处纵肋与顶板焊接细节疲劳应力分析

为研究钢桥面板横隔板处纵肋与顶板焊接细节疲劳性能,基于ANSYS有限元软件,采用热点应力法,建立了2跨5U肋疲劳节段有限元分析模型。研究结果表明:得到了疲劳单车模型三种加载工况下的横隔板处纵肋与顶板焊接细节纵向热点应力历程曲线,U肋正上方加载工况为控制工况,其应力幅值为81. 4MPa,轮载位于横隔板正上方时疲劳应力达到峰值,在进行钢桥面板结构设计时,应尽可能将轮迹线布置在U肋之间,以避免疲劳开裂。

钢桥面顶板纵肋焊接细节疲劳裂纹扩展模拟方法研究

钢桥面顶板纵肋焊接细节是正交异性钢桥面板中最重要的疲劳易损细节之一,探究其疲劳裂纹扩展特性有助于深刻认识其疲劳性能。当前常用的疲劳裂纹扩展模拟方法主要包括以断裂力学理论为基础的二维分析方法和三维分析方法两类。本文分别通过二维和三维断裂力学分析方法对于顶板纵肋焊接细节重要疲劳破坏模式的疲劳裂纹扩展数值模拟、疲劳裂纹疲劳寿命和扩展特性等关键问题进行了对比研究。

超载对钢桥面板顶板-纵肋焊接接头疲劳寿命影响分析

顶板-纵肋焊接接头是正交异性钢桥面板疲劳受力的薄弱部位,重型货车轮载效应会进一步加剧该部位的疲劳应力。为研究超载对钢桥面板顶板-纵肋焊接接头疲劳寿命的影响,基于断裂力学相关理论,构建了疲劳裂纹扩展子模型,对2倍、4倍和6倍超载作用下疲劳裂纹的扩展情况进行系统研究,得出了各种超载作用下钢桥面板顶板-纵肋焊接接头的疲劳寿命。研究表明:在标准疲劳车及2倍超载作用下,钢桥面板顶板-纵肋焊接接头均不会发生疲劳开裂;在4倍超载作用下,钢桥面板顶板-纵肋焊接接头疲劳寿命为354.8万次,疲劳寿命减少约29%;在6倍超载作用下,钢桥面板顶板-纵肋焊接接头疲劳寿命为104.7万次,远低于国内规范中所要求的200万次,疲劳寿命减少约79%,因此在合理控制超载的同时丞需研发高疲劳抗力的新型顶板-纵肋焊接接头。