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。

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。

激光焊接过程中U-Nb合金的焊接接头微观组织与力学性能研究

以U-Nb合金为对象,研究了激光焊接过程中U-Nb合金焊接接头的微观组织和力学性能。结果表明,U-Nb合金母材的微观组织为片层状结构,主要物相为α-U+γ-U双相混合珠光体。U-Nb合金焊缝区的组织为致密的α-马氏体,相比于母材中的两相珠光体,屈服强度由820 MPa升高到1 200 MPa,塑性从25%下降到4%左右。

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-混凝土主梁-次梁节点受力性能试验研究

通过对2个足尺节点试件的静载试验,验证了其可靠性,并研究了次梁配筋方式(U型钢内部是否配有贯穿钢筋)对这类新型节点破坏形态、承载力、变形性能、应变分布等的影响。研究结果表明,两个节点试件表现出良好的变形能力,且破坏形态相同,均是在次梁交界面形成弧形贯通裂缝而破坏。贯穿钢筋可略提高节点承载力,但会增加次梁对外套型钢的“杠杆”效应,使外套型钢下翼缘应力集中增强,导致结构延性下降。试验考虑了楼板效应,因此能很好地反映主梁-次梁节点的真实受力状态,对主梁-次梁节点的设计与应用具有重要参考价值。

焊接接头超声检测CT成像的双线性内插算法

超声波具有明显的衍射特征,当被检焊接接头不均匀程度较大时,超声CT在投影定理的推导、重建算法上存在一定的困难。依据非均匀介质的波动方程,采用双线性内插后的直接傅立叶反变换算法重建物体的二维图像。文中论述了双线性内插的详细算法和软件流程,并用此方法对模拟的焊接接头断面形状进行了图像重建,获得了满意的成像效果,表明了该方法的有效性。

顶板厚度对钢桥面板焊缝疲劳强度的影响

针对钢桥面板顶板与U肋连接细节制作20个试验构件,采用机械型振动疲劳试验机进行等幅疲劳加载,通过名义应力方法和热点应力法对试件焊缝疲劳性能进行评价研究。试验结果表明:在本次实验中,16mm顶板试件和14mm顶板试件的疲劳强度相差不大,建议都采用65 MPa名义应力等级疲劳强度曲线对其进行评价。对于16mm顶板试件,建议采用100MPa热点应力疲劳强度曲线进行评价;对于14mm顶板试件,建议采用80MPa热点应力疲劳强度曲线进行评价。16mm顶板试件的热点应力疲劳强度明显高于14mm顶板试件的。16mm顶板试件的平均有效疲劳寿命比14mm顶板试件的长约49%,其疲劳寿命显著增加了。

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。

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。

基于影响面范围的钢桥面板构造细节应力分析

建立不同横隔板间距的正交异性钢桥面板节段有限元模型,选取顶板与U肋焊缝细节、U肋与横隔板焊缝细节、U肋对接焊缝三种典型疲劳细节,通过改变车轮荷载的位置,得到各细节的应力影响面,根据应力与应力幅大小确定车轮纵向与横向位置的应力影响范围,以及荷载最不利位置,并结合测点的上、中、下三层表面应力分析各个构造细节的局部受力特征。结果表明：车轮荷载位置对顶板与U肋焊缝细节、U肋与横隔板焊缝细节、U肋对接焊缝的纵向影响范围均为2个横隔板间距;顶板与U肋焊缝横向影响范围为900 mm,以受弯为主; U肋与横隔板焊缝处横向影响范围为1 350 mm,存在面内受力; U肋对接焊缝的影响范围为900 mm,以拉压作用为主。