中欧规范下钢桥面板与纵肋双面焊焊接细节疲劳性能分析

钢桥面板与纵肋双面焊焊接细节是新型构造细节之一,有助于改善钢桥面板疲劳性能。文中基于中欧规范中疲劳车形式,通过有限元数值模拟,采用热点应力法计算得到钢桥面板与纵肋双面焊焊接细节的热点应力历程,分析该细节的疲劳性能。

钢桥面板与纵肋双面焊焊接细节应力强度因子有限元分析

正交异性钢桥面板疲劳开裂严重影响结构安全。为研究钢桥面板与纵肋双面焊接细节的疲劳开裂机理,文中运用有限元软件,采用相互作用积分法对顶板-纵肋内侧焊缝典型疲劳裂纹应力强度因子进行数值计算,分析裂纹扩展变化规律并对疲劳寿命进行评估。

基于切口应力法的钢桥面板横隔板处纵肋与顶板焊接细节疲劳寿命评估

文章以钢桥面板横隔板处纵肋与顶板焊接细节为研究对象,基于切口应力方法,建立了包含焊根切口子模型的ANSYS疲劳节段有限元分析模型,对该细节实际疲劳寿命进行了系统研究。结果表明:三种典型加载工况中,纵肋正上方加载工况下所得到的切口应力幅最为不利,其数值为203.5 MPa;验证了采用ⅡW所推荐的FAT225级S-N曲线对于钢桥面板构造细节疲劳寿命评估的有效性和适用性;基于FAT225级S-N曲线,得到了横隔板处纵肋与顶板焊接细节疲劳寿命为270.6万次,满足规范要求。

钢桥面顶板-U肋全熔透双面焊构造细节疲劳性能研究

为研究钢桥面板顶板-U肋全熔透双面焊构造细节疲劳性能,以深中通道伶仃洋大桥正交异性钢桥面板为对象,采用Abaqus软件建立钢桥面板节段有限元模型,基于预测车流数据,计算全熔透双面焊顶板-U肋焊接构造细节的等效应力幅;开展14个顶板-U肋试件疲劳试验,评估全熔透双面焊顶板-U肋焊接构造细节的疲劳强度;基于试件焊缝尺寸的测量结果,建立有限元模型计算不同焊缝尺寸对疲劳性能的影响。结果表明:等效疲劳车荷载下全熔透双面焊顶板-U肋焊接构造细节的等效应力幅为71.9 MPa;试件的疲劳裂纹多发育于U肋内焊趾,采用名义应力法计算得到该疲劳细节的疲劳强度约为76.8 MPa,高于有限元计算所得的等效应力幅和我国现行规范中的建议值;焊缝尺寸增大会降低内焊趾部位的等效应力幅,焊缝尺寸对外焊趾部位等效应力幅影响较小。

钢桥面板纵肋与横隔板焊接细节疲劳开裂的加固研究

为研究钢桥面板疲劳开裂部位栓接角钢的加固方法,采用足尺模型试验对纵肋与横隔板焊接细节疲劳裂纹的加固效果进行研究,采用ANSYS建立了含有疲劳裂纹的有限元模型,并基于断裂力学理论对比研究疲劳裂纹不同长度条件下的加固效果.研究结果表明:纵肋与横隔板焊接细节的疲劳裂纹起裂于焊趾并沿纵肋腹板扩展,采用栓接角钢加固后可以使开裂部位关键测点的主拉应力和裂尖各测点的应变分别降低56%和80%,能够有效抑制疲劳裂纹的扩展;栓接角钢加固后裂尖的应力强度因子幅值最少降低80%,裂纹扩展速率显著降低;对贯穿纵肋腹板前不同长度的疲劳裂纹进行加固,裂尖应力强度因子幅值均降低60%~90%,但随着疲劳裂纹长度的增加,栓接角钢的加固方法对裂纹扩展的抑制效果不断降低,加固时机的合理选取是影响加固效果的关键因素之一.

钢桥面板纵肋与横隔板焊接细节表面缺陷及疲劳效应研究

初始焊接缺陷是影响结构件疲劳性能的关键因素之一。在断裂力学评估框架下引入特征化初始焊接缺陷,结合相互作用积分法与复合断裂准则解决由表面缺陷所导致的复合型疲劳裂纹扩展问题,在此基础上编写裂纹扩展模拟程序,建立表面焊接缺陷效应评价方法,通过分析揭示了不同形态和尺度的初始焊接缺陷对于钢桥面板纵肋与横隔板构造细节裂纹扩展关键性度量指标和疲劳寿命预测的影响。结果表明:所建立的方法可有效用于评估焊趾部位表面焊接缺陷对于疲劳性能的效应;面状缺陷对于裂纹扩展度量指标和疲劳寿命预测结果的影响更为显著,其初始缺陷深度和形态均是影响疲劳性能的关键因素,体积型缺陷对于疲劳寿命的影响主要由深度方向的缺陷尺寸决定;焊接缺陷的形态和几何参数取值应根据工程实际和规范建议值共同确定,直接简化为面状缺陷会低估结构件的疲劳寿命;考虑焊接缺陷不确定性的可靠度评估方法尚需进一步研究。

U肋全熔透焊接正交异性板构造疲劳性能试验研究

为研究U肋与钢桥面不同焊接工艺接头的疲劳性能,以主跨408 m的中承式连续钢桁拱桥——武汉汉江湾桥主桥为背景,在传统单面埋弧焊基础上,提出一种先平位内焊再船位外焊的双面埋弧全熔透焊接技术,制作不同焊接工艺U肋与钢面板试件,开展丁字接头弯曲疲劳试验、焊接接头拉伸疲劳试验及3种典型构造细节疲劳试验,分析U肋与钢面板构造细节疲劳性能。结果表明:不同焊接方式下U肋与钢面板的疲劳强度差异明显,埋弧焊丁字接头的疲劳强度较高,大于342 MPa。U肋与钢面板双面埋弧熔透焊试件轴向拉伸状态下最低疲劳强度121.6 MPa,在-50~50 MPa拉-压循环应力幅和100 MPa拉应力幅下试件均未开裂;在120 MPa拉应力幅下,疲劳开裂加载次数均大于200万次,顶板内侧焊缝焊趾发生疲劳开裂。U肋与钢面板双面埋弧全熔透焊接构造细节疲劳性能优于单面焊及不开坡口的双面焊部分熔透构造细节,可以提高结构的耐久性和使用寿命。

钢桥面板U肋焊接残余应力影响因素分析

为了进行钢桥面板U肋焊接残余应力精确计算及影响因素定量分析,以星海湾跨海大桥钢桥面板U肋为研究对象,在ABAQUS有限元软件中,建立钢桥面板U肋局部模型,通过自编的Dflux子程序,进行双椭球热源的加载,模拟V型坡口焊的焊接过程,得到顶板与U肋板残余应力分布,从而研究顶板板厚与焊接坡口角度2种因素对U肋焊接残余应力的影响。结果表明:本文的分析方法得到的焊接残余应力计算结果与前人试验数据结果对比,两者吻合较好,本文分析方法有效;顶板与U肋板在靠近焊缝处都出现最大残余拉应力,且均超过材料的屈服极限;随着顶板板厚增大,顶板与U肋板的残余拉应力峰值增大;而随着坡口角度增大,顶板与U肋板的残余拉应力峰值则减小。

钢桥面板-肋双面焊构造细节疲劳失效模式研究

设置高疲劳抗力构造细节是提升钢桥面板疲劳寿命的有效途径之一,以一种钢桥面板-肋双面焊构造细节为研究对象,基于线弹性断裂力学原理,利用ABAQUS有限元软件建立了该细节疲劳裂纹扩展子模型,研究了疲劳加载工况下各裂纹萌生点处初始裂纹扩展能力。同时通过应力强度因子幅值对比分析,进一步确定了该钢桥面板-肋双面焊构造细节主导疲劳失效模式。

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。

单/双焊接构造对钢桥面板焊接节点残余应力的影响研究

为了研究单/双面焊接构造对钢桥面板顶板纵肋焊接节点残余应力的影响,基于热结构顺序耦合有限元分析方法,对顶板纵肋单/双面焊接节点进行数值模拟,得到了垂直/平行于焊缝方向的横/纵向残余应力分布,并用试验数据进行验证。研究结果表明,双面焊构造会不同程度地增加垂直/平行于焊缝方向的横/纵向残余应力大小和焊接热影响区,改变横/纵向残余应力最大值出现的位置,从而影响疲劳危险点验算。成果为顶板纵肋双面焊节点抗疲劳性能研究提供参考。

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。

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。

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。

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。

纵肋与横隔板新型构造细节焊接残余应力分布研究

为了解在正交异性钢桥面板中将纵肋底板与横隔板焊接的新型构造细节疲劳性能,对纵肋与横隔板构造部位的焊接过程进行数值模拟,分析新型构造细节与传统构造细节焊接残余应力的分布特征;通过改变焊接顺序,研究焊缝生成顺序对新型构造细节残余应力分布的影响。结果表明:新型构造细节的纵、横向残余应力较传统构造细节均有大幅降低,纵肋底板围焊端部焊趾附近纵横向残余应力均达到220 MPa以上,极易成为新的疲劳易损部位;改变新型构造细节纵肋腹板与底板的焊接顺序,仅影响残余应力数值,合理的焊接顺序为先焊纵肋腹板,后焊纵肋底板。

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。

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.

U肋双侧焊的钢桥面板残余应力数值分析

为研究U肋内焊正交异性钢桥面板焊接残余应力的分布规律,采用通用有限元软件ANSYS模拟U肋内焊过程,选用高斯热源模型并采用间接耦合法模拟焊接应力场。将U肋内焊的残余应力场与传统的U肋单侧焊的残余应力场进行了对比分析。研究结果表明:U肋内焊下的双侧焊虽能改变焊缝的偏心状态,但也产生了更加复杂和不利的残余应力场,同时,双侧焊的应力场分布规律与单侧焊的一致。双侧焊的残余应力大于单侧焊的残余应力,其差异在焊缝周围区域表现得更加明显。在设计时,应充分考虑其对结构的影响。

新型半开口纵肋正交异性钢桥面板疲劳性能试验研究

为了改善常规正交异性钢桥面板的疲劳开裂问题,提出新型半开口纵肋正交异性钢桥面板结构,该结构通过在纵肋底部开口实现顶板与纵肋双面焊接,提高焊缝质量,降低纵肋与横隔板的刚度差。为验证该新型钢桥面板的疲劳性能,设计制作钢桥面板节段足尺模型进行疲劳试验,采用应力应变法、数字图像法、声发射法等技术监测应力和裂纹发展。结果表明:在1 000万次循环加载过程中,新型钢桥面板各构造细节处均未出现疲劳裂纹;与常规正交异性钢桥面板相比,新型钢桥面板纵肋与横隔板连接处的应力幅大幅降低;新型钢桥面板结构显著改善了正交异性钢桥面板的抗疲劳性能。