钢桥面板纵肋-横隔板焊缝双裂纹协同扩展研究.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月湖南交通科技 ,收稿日期:?作者简介:何延兵(),男,高级工程师,主要从事高速公路建设管理工作。文章编号:?()?钢桥面板纵肋 横隔板焊缝双裂纹协同扩展研究何延兵,张海萍,李立(湖南省高速公路集团有限公司,湖南 长沙 ;湖南工业大学 土木工程学院,湖南 株洲 )摘要:为了研究钢桥面板肋 横隔板焊缝(,简称 焊缝)多裂纹协同疲劳扩展行为,采用 交互技术建立了钢桥面板 细节疲劳裂纹的数值分析模型,开展不同长度和不同角度的穿透裂纹对临近疲劳细节初始裂纹影响的分析。对比分析了 焊缝部位 肋焊趾处和横隔板焊趾处,弧形切口自由边上初始裂纹的应力强度因子的变化趋势。结果表明:肋焊趾处和
2、横隔板焊趾处裂纹为 型主导的 型复合型裂纹,弧形切口自由边处裂纹为 型复合型裂纹,应力强度因子 始终为负;随着 肋焊趾处的穿透裂纹长度从 增长至 ,横隔板焊趾处初始裂纹中点处应力强度因子 呈减小趋势,弧形切口自由边上初始裂纹中点处应力强度因子 和 几乎保持不变;随着隔板焊趾处穿透裂纹长度从 增长至 ,肋焊趾处初始裂纹应力强度因子 先减小后增大,当裂纹长度为 时,达到最小值,弧形切口自由边上初始裂纹中点处应力强度因子 和 都呈减小趋势且速度逐渐缓慢;弧形切口自由边处的裂纹长度和角度都会对 肋焊趾处和横隔板焊趾处裂纹强度因子产生影响。关键词:桥梁工程;断裂力学;正交异性板;应力强度因子中图分类号:
3、文献标志码:引言由于正交异性钢桥面板具有自重轻、极限承载能力大、适用范围广、施工方便等优点 ,作为主梁广泛应用于大跨径斜拉桥和悬索桥中。随着钢桥桥面板服役时间的增长,钢桥面板焊缝的疲劳开裂问题开始显现 。已有文献统计纵肋与横隔板焊缝处出现的裂纹占钢桥面板疲劳裂纹总数的 ,成为影响正交异性钢桥面板疲劳耐久性的最重要细节之一。近年来,国内外学者和研究人员对 焊缝的疲劳开裂展开了大量研究。既往研究通常对裂纹扩展的数值模拟做出简化,难以获取三维空间中裂纹扩展轨迹,刘益铭等 基于线弹性断裂理论,建立了三维疲劳裂纹扩展数值模拟方法对 焊缝 肋壁板焊缝开裂进行分析,裂纹扩展过程与试验数据吻合良好。王春生等
4、基于扩展有限元方法建立钢桥面板数值断裂力学模型,对 疲劳敏感细节即静、动态扩展行为进行了分析,并研究了在考虑焊接残余应力状态下 细节疲劳裂纹类型。卜一之等 基于线弹性断裂力学的扩展有限元方法()建立含有裂纹的有限元模型,计算了典型 细节疲劳裂纹的应力强度因子幅值变化规律。汪珍等 基于扩展有限元法分析了 焊缝部位典型疲劳裂纹的扩展机理,并根据有限元分析结果得出 典型细节疲劳裂纹类型。总体而言,目前采用线弹性断裂力学开展 典型细节单裂纹扩展行为研究已经较为成熟,但钢桥面板的疲劳病害常以多裂纹形式出现,目前对多裂纹的协同扩展行为研究较少,亟需开展 焊缝的多疲劳裂纹协同扩展工作机理研究。本文基于断裂力
5、学的疲劳扩展理论、和 交互技术,建立了正交异性钢桥面板节段模型,根据实际工程中钢桥面板 焊缝部位裂纹出现位置,在有限元模型中插入不同长度及不同角度的裂纹,关注邻近区域疲劳细节的损伤演化,期何延兵,等:钢桥面板纵肋 横隔板焊缝双裂纹协同扩展研究研究 焊缝疲劳开裂过程中的协同工作机理。三维裂纹应力强度因子理论及方法 积分计算应力强度因子应力强度因子是判断含有裂纹结构的断裂和计算裂纹扩展速率的重要参数,裂纹尖端的变形可分张开型(型)、滑开型(型)和撕开型(型),分别对应的应力强度因子为、和。等 从 积 分 中 发 展 出 了 积 分,中通常采用 积分 同时计算出 种断裂模式的应力强度因子(、和),建
6、立关于能量释放率相等的平衡方程求得 积分,根据应力强度因子和材料属性及裂纹尖端应力和位移求得能量释放率为:()根据有限元软件计算所得的裂纹尖端应力、应变和位移求得能量释放率为:()()由于材料是线弹性的,因此,定义:()()()()()()()相关应力强度因子为:()(),()(),()()()将式()代入式()得:()()(,)()(,)()()(,)()将式()代入式()得:()()(,)()(,)()()()()()()()和 的交互使用 是美国 公司开发的裂纹扩展分析软件,可以用来计算工程结构较为复杂情况下裂纹的扩展和预测疲劳寿命,在裂纹进行扩展时 可以快捷高效地进行网格划分,并且保证
7、 网 格 的 质 量 和 裂 纹 扩 展 的 真 实 性。由 于 本身不具有对有限元模型的求解功能,故本文拟将 和 交互使用,用 进行建模,用 插入裂纹并合并模型至 中进行求解,最后使用 中的 积分进行应力强度因子计算,具体流程图如图 所示。图 和 的交互使用湖南交通科技 卷 可行性验证为了验证 和 交互使用计算应力强度因子的可行性,用 建立一个边长为 的立方体模型,按照 钢定义材料属性,弹性模量 ,泊松比 ,在立方体上下表面分别施加 的均布拉力,利用 在立方体中央插入一个半径为 的圆形裂纹,并使其与均布荷载施加方向垂直,模型如图()所示。文献 给出了应力强度因子的理论表达式:()槡(,)()
8、式中:为将运端均匀拉应力;为将运端弯曲应力;、和 分别为拖延裂纹深度、宽度半径和长度半径;和 为裂纹形状参数。利用 重新划分网格后计算应力强度因子,与式()计算所得到的理论解进行对比,结果如图 ()所示。考虑到有限元模型网格划分和裂纹前 缘 环 形 区 域 半 径 的 影 响,对 和 交互使用计算的应力强度因子取平均值与理论解对比求误差,其中有限元软件计算的 的平均值为 ,与 的理论解相对误差小于 ,表明 和 交互使()带裂纹的有限元模型()数值解和理论解对比图 带裂纹的有限元模型和 对比用计算的应力强度因子具有一定的精度,是可行的。有限元模型 工程概况选取某主跨为 的悬索桥为研究对象,其主梁
9、上翼缘采用正交异性板结构。正交异性板顶板厚 ;肋上口宽 ,下口宽 ,厚度为 ,横向间距为 ;横隔板厚度 ,纵向间距为 。横向选取 个 肋,纵向选取包含个横隔板组成的正交异性钢桥面板节段模型。焊缝处焊缝采用双面角焊缝,焊角尺寸为 。横隔板弧形切口具体尺寸如图 所示。图 横隔板弧形切口处构造细节(单位:)几何模型和材料参数使用有限元软件 建立壳 实体节段模型,横向包含 个 肋,纵向包含 个横隔板,节段模型整体采用壳单元建模,中跨第 个横隔板处建立尺度为 的实体单元模型代替壳单元模型,实体单元模型和壳单元模型采用壳 实体耦合连接,如图 所示。节段模型壳单元和实体单元部分分别采用壳单元 和实体单元 。
10、壳单元整体网格尺寸为 ,实体单元整体网格尺寸为 ,加载区域网格尺寸精细到 ,弧形切口和 焊缝的裂纹精细到 。钢材选用 ,弹性模量 ,泊松比 。节段模型的边界条件为:对于顺桥向,在节段模型顶板和 肋两端设置纵向位移约束,模拟钢箱梁对节段模型的纵向位移约束;对于横桥向,在节段模型顶板和 肋两端设置横向位移约束,模拟钢箱梁对节段模型的横向位移约束;在横隔板底部施加固定约束,模拟钢箱梁对节段模型的固定约束。期何延兵,等:钢桥面板纵肋 横隔板焊缝双裂纹协同扩展研究图 正交异性钢桥面板有限元模型(单位:)荷载施加计算荷载根据 公路钢结构桥梁设计规范()中疲劳荷载计算模型确定,由于车轮荷载在顺桥向和横桥向的
11、应力影响范围很小,车轴和轮重的应力叠加可以忽略不计。因此本文采用后轴单侧双轮()共同加载,单轮作用面积为 ,考虑到桥面铺装层的扩散效果,有限元上轮载作用面积取 。车辆轮轴按照文献 进行加载,即横桥向轮载平均分布在 右侧焊缝两侧,顺桥向两轮平均分布在横隔板 两侧,如图 所示。图 轮载位置断面图(单位:)疲劳细节的选取在实桥裂纹检测数据对比相关足尺试验 中观察到钢桥面板 焊缝处裂纹出现情况,裂纹主要分布在以下部位:肋 横隔板连接部位 肋焊趾处,如图 ()中 ;肋 横隔板连接部位横隔板焊趾处,如图()中 ;横隔板弧形切口自由边处,如图 ()中 。通过对各细节裂纹统计发现,在 肋 横隔板连接部位 肋焊
12、趾处裂纹长度为 不等,在 肋 横隔板连接部位横隔板焊趾处裂纹长度为 不等,在横隔板弧形切口自由边处裂纹长度为 不等,且弧形切口自由边处裂纹分布方向与水平方向夹角为 不等。()焊趾处疲劳细节()弧形切口自由边处疲劳细节图 焊缝处疲劳细节 不同裂纹长度下 细节疲劳裂纹的应力强度因子分析 裂纹插入位置拟定根据前文对实桥检测的裂纹统计,分别在 焊缝部位 肋焊趾处、横隔板焊趾处和横隔板弧形切口自由边处插入裂纹深度 、裂纹宽度 的初始椭圆裂纹,同时在横隔板焊趾处和横隔板弧形切口自由边处插入水平的长度 分别为 、的穿透裂纹,在 肋焊趾处插入长度 分别为 、的穿透裂纹,计算不同长度的穿透裂纹对临近含初始裂纹的
13、疲劳细节裂纹尖端应力强度因子的影响。肋焊趾处裂纹应力强度因子分析在 肋焊趾处插入初始裂纹,横隔板焊趾处插入椭圆形裂纹,裂纹形态如图 所示,裂纹分布位置如图 所示,初始裂纹应力强度因子如图 所示。图 肋焊趾和横隔板焊趾裂纹形态图湖南交通科技 卷图 肋焊趾和横隔板焊趾双裂纹位置布置图()肋焊趾处初始裂纹应力强度因子()肋焊趾处初始裂纹应力强度因子()肋焊趾处初始裂纹应力强度因子 图 肋焊趾处初始裂纹应力强度因子随横隔板焊趾处穿透裂纹变化由图 可知,肋焊趾处初始裂纹前缘应力强度因子 随着横隔板焊趾处的穿透裂纹增长出现先减小后增大的趋势。当横隔板焊趾处没有插入裂纹时,初始裂纹中点位置应力强度因子 为
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