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.

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。

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。

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.

钢桥面板与纵肋焊缝疲劳评估及裂纹扩展研究

为研究正交异性钢桥面板纵肋与顶板连接焊缝的裂纹扩展特性并建立相应的疲劳寿命评估方法,考虑裂纹扩展模拟方法以及材料特性等因素对于裂纹扩展过程与疲劳寿命预测的影响,以某长江公路大桥重载交通钢桥面板为研究对象,进行了疲劳模型试验和理论研究.综合运用疲劳试验与断裂力学数值模拟研究起始于焊根位置裂纹的疲劳寿命评估问题,探明了疲劳裂纹的扩展特性.研究结果表明:基于常幅疲劳加载的寿命预测结果与试验实测值间的相对误差小于10%,且预测结果偏于安全;裂纹扩展路径及裂纹面空间形态等扩展特性与疲劳试验相吻合;裂纹扩展模拟方法、扩展角计算准则、材料特性和初始裂纹深度是疲劳寿命预测的关键影响因素;起始于焊根的疲劳裂纹属于Ⅰ型主导的复合型裂纹,疲劳寿命评估应考虑Ⅱ型与Ⅲ型裂纹的影响;裂纹面呈现出典型的空间曲面特征,其深度与长度之比介于0.20～0.63之间,最大扩展角为12.7°;疲劳寿命评估结果对于初始裂纹深度取值较为敏感,应结合工程实际确定合理取值.

新型镦边纵肋与顶板焊接构造细节疲劳性能试验

为了提高正交异性钢桥面板纵肋与顶板焊接构造细节的疲劳性能,提出了一种新型镦边纵肋与顶板连接构造细节,该构造细节通过局部镦厚与顶板连接部位的纵肋腹板,增大连接焊缝截面尺寸和局部刚度,从而减小该焊缝连接部位的应力集中程度,以实现提高纵肋与顶板焊接构造细节的疲劳性能的目的。作为一种新型焊接构造细节,其实际疲劳破坏模式和疲劳抗力均有待研究确定,为验证这一新型构造细节在改善纵肋与顶板焊接构造细节疲劳性能方面的有效性并确定其实际疲劳破坏模式和疲劳抗力,设计2组共7个足尺节段模型进行疲劳试验,对新型镦边纵肋与顶板焊接构造细节和传统纵肋与顶板焊接构造细节进行对比试验和理论研究。研究结果表明:控制2类构造细节的主导疲劳破坏模式均为萌生于焊根、沿顶板开裂的疲劳破坏模式;该疲劳破坏模式下新型镦边纵肋与顶板焊接构造细节和传统纵肋与顶板焊接构造细节的疲劳性能基本一致,新型镦边纵肋与顶板焊接构造细节对于该疲劳破坏模式下的实际疲劳性能无明显的改善效果;切口应力法适用于该构造细节焊根的疲劳性能评估,从便于工程应用的角度考虑,距离顶板焊趾5mm处的应力值亦可作为纵肋与顶板焊接细节疲劳性能评估的依据。

正交异性钢桥面板顶板与纵肋疲劳性能研究

结构体系和受力特性共同决定了,疲劳问题是正交异性钢桥面板应用和发展所面临的重要课题。正交异性钢桥面板顶板与纵肋连接焊缝直接受轮载作用,其疲劳病害尤为严重。以典型正交异性钢桥面板港珠澳大桥为研究对象,建立三维实体参数化有限元模型,以该焊接部位潜在裂纹萌生处3个关键点的应力水平及应力集中系数作为评价其疲劳性能的标准,通过改变重要设计参数,对各设计参数进行敏感性分析。研究结果表明,当顶板厚度为16mm^20mm、U肋厚度为8mm^10mm、U肋高度为280mm^300mm、熔透率为80%以上时,顶板与U肋连接焊缝抗疲劳性能较优。