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2021年 第36卷  第10期

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科研
基于临界距离理论的弧形切口疲劳寿命研究
陈卓异, 杨宇, 李传习, 曾振海, 曾剑波
2021, 36(10): 1-6. doi: 10.13206/j.gjgs21062201
摘要:
正交异性钢桥面板因其自重轻、极限承载力大、适用范围广等优点而广泛应用于土木工程,但其疲劳问题严重,钢箱梁横隔板弧形切口的抗疲劳设计仍是难点。为有效预测此典型疲劳易损细节的疲劳寿命,采用ABAQUS有限元分析软件,建立了三种弧形切口疲劳试件的有限元简化模型,通过对三种不同弧形切口半径的试件模型在拉伸荷载50 kN下的有限元求解,分别得到各自主应力云图。可知:切口处第一主应力随切口半径增大而减小,半径从10 mm增至20 mm时,第一主应力从319.8 MPa减至253.7 MPa,减幅66.1 MPa;半径从20 mm增至30 mm时,第一主应力从253.7 MPa减至225.6 MPa,减幅28.1 MPa,较之前变平缓。再引入临界距离理论分析了弧形切口应力集中区域的特征应力,采用点法与线法进行特征应力计算。利用ABAQUS自最大主应力峰值处按最高应力梯度方向设置路径,提取各点第一主应力及其所在点距最大主应力峰值的距离。在热点路径上,最大主应力与距离呈反比关系;在1.2倍临界距离范围内,切口半径越小,应力水平越高;在2倍临界距离以外的区域,切口半径20 mm与切口半径30 mm的最大主应力曲线呈靠拢趋势,表明此时切口已不再是影响应力水平的关键因素,从而得到了临界距离、裂纹扩展门槛值等关键参数。结合材料疲劳极限与FE-safe寿命结果建立了三种切口构件的疲劳寿命预测模型,开展了横隔板弧形切口节段试件的疲劳试验,验证了简化模型的准确性,研究了不同切口半径对试件疲劳寿命影响的规律。
结果表明:1)钢箱梁横隔板弧形切口处基于点法的应力预测值比线法的应力预测值高7%~13%,点法的疲劳寿命预测值比线法的疲劳寿命预测值基本低50%以上;点法预测值比线法预测值更加保守;2)所提出的钢箱梁横隔板弧形切口疲劳预测模型精度较高,与节段模型疲劳试验结果误差在20%以内;3)无论采用点法还是线法,计算所得的特征应力都随切口半径增大而减小,疲劳寿命都随切口半径增大而增长,钢箱梁横隔板弧形切口设计时,适当提高切口半径有利于结构疲劳寿命的提升;4)由于疲劳试件采用的都是光滑的弧形切口试件,对于含初始缺陷的构件,其采用临界距离理论评估疲劳寿命的计算模型有待进一步研究。
钢板梁桥面外变形疲劳效应的数值模拟
王雨竹, 舒畅, 王鹏, 周星光, 王春生
2021, 36(10): 7-15. doi: 10.13206/j.gjgS21091001
摘要:
针对钢板梁桥两类腹板间隙面外变形疲劳细节(竖向加劲肋腹板间隙细节和水平节点板腹板间隙细节),建立了三跨连续钢板梁直桥、斜桥和弯桥的有限元模型,通过数值模拟对不同跨径、不同斜交角、平曲线半径钢板梁桥腹板间隙疲劳细节的面外变形及疲劳应力进行研究,并针对斜桥和弯桥进行了面外变形疲劳效应参数分析。模拟结果表明:疲劳车辆荷载作用下腹板间隙细节会产生相对面外变形和疲劳应力;直桥中竖向加劲肋腹板间隙细节的面外变形、疲劳应力峰值分别为0.079 mm、105.6 MPa,水平节点板腹板间隙细节的面外变形、疲劳应力峰值为0.006 mm、10.9 MPa;斜桥、弯桥中两类腹板间隙细节的面外变形疲劳效应显著大于直桥,相对面外变形量更大,斜桥、弯桥中竖向加劲肋腹板间隙细节的疲劳应力峰值分别为直桥的2.4倍和1.7倍,水平节点板腹板间隙细节的疲劳应力峰值分别为直桥的2倍和2.9倍;疲劳细节处的相对面外变形与疲劳应力水平具有较强的相关性,且很小的相对面外变形就可以引起较高的拉应力。在斜桥中,水平节点板腹板间隙细节的腹板间隙处仅0.15 mm的相对面外变形就能引起约250 MPa的竖向弯曲拉应力。参数分析结果表明,斜桥中疲劳细节处的应力随斜交角的增大而增大,弯桥中细节处的疲劳应力随平曲线半径的减小而增大。跨径布置为(45+70+45) m的直桥中,竖向加劲肋腹板间隙细节和水平节点板腹板间隙细节处的最大拉应力105.6 MPa和10.9 MPa。相同跨径斜桥、弯桥中对应细节处的最大拉应力分别为250.5 MPa和21.8 MPa、176.5 MPa和31.9 MPa,显著大于相同跨径直桥中对应细节处的最大拉应力。
厚壁箱形钢桥墩的超低周疲劳裂纹萌生与扩展规律研究
朱婷, 高圣彬
2021, 36(10): 16-24. doi: 10.13206/j.gjgs20061203
摘要:
为探讨厚壁箱形钢桥墩的超低周疲劳裂纹萌生寿命及裂纹扩展规律,利用ABAQUS有限元分析软件对多组厚壁箱形钢桥墩在恒定竖向荷载和水平往复荷载作用下的超低周疲劳裂纹萌生、扩展与破坏过程进行数值模拟分析。对钢桥墩试件的1/2进行建模,采用壳单元和梁单元相结合的方法提高计算效率。采用基于Rice-Tracey模型的裂纹萌生准则和钢材混合强化模型对厚壁箱形钢桥墩的超低周疲劳裂纹萌生寿命进行预测,并使用一种基于极限断裂位移的裂纹扩展准则对超低周疲劳裂纹的扩展过程进行模拟。通过与既有试验结果的对比,验证所采用的裂纹萌生准则预测裂纹萌生寿命的准确性,以及所采用的裂纹扩展准则预测厚壁箱形钢桥墩裂纹扩展过程的准确性。对影响厚壁箱形钢桥墩疲劳裂纹萌生寿命、裂纹扩展规律的因素(即翼缘正则化宽厚比、正则化长细比、加载方式)进行参数化分析,研究厚壁箱形钢桥墩在不同结构参数条件下的破坏模式。将裂纹萌生寿命与超低周疲劳破坏寿命的差值定义为钢桥墩超低周疲劳剩余寿命,分析不同结构参数条件对钢桥墩超低周疲劳剩余寿命的影响。由于裂纹萌生寿命的模拟结果与试验结果较吻合,因此基于Rice-Tracey模型的裂纹萌生准则和钢材混合强化模型能准确预测厚壁箱形钢桥墩的裂纹萌生寿命。裂纹扩展长度的模拟结果与试验结果也吻合良好,因此基于极限断裂位移的裂纹扩展准则能准确预测厚壁箱形钢桥墩超低周疲劳裂纹的扩展过程。在验证有限元分析方法准确性的基础上,通过比较超低周疲劳破坏点与局部屈曲破坏点发生的时刻以及基于裂纹扩展长度的参数化分析结果,提出了不同结构参数条件下的三种破坏模式,分别为超低周疲劳破坏模式、局部屈曲破坏模式与混合破坏模式。
结果表明:超低周疲劳破坏发生在翼缘正则化宽厚比和正则化长细比较小时,局部屈曲破坏发生在翼缘正则化宽厚比和正则化长细比较大时;钢桥墩超低周疲劳剩余寿命不仅与翼缘正则化宽厚比和正则化长细比有关,还与试件的加载方式有关。研究成果对该类钢桥墩的抗震设计具有重要的参考价值。
新型U肋与顶板双面焊接残余应力场的超声冲击调控方法研究
刘红胜, 罗永传, 韩少辉, 张清华
2021, 36(10): 25-33. doi: 10.13206/j.gjgs20092301
摘要:
新型U肋与顶板双面焊接构造相比传统单面焊构造焊接工序更多、焊接残余应力场更为复杂,发展适用于该新型构造焊接残余应力场调控的焊后处理措施对其进一步推广和应用具有重要意义。为探究超声冲击处理技术对该新型构造焊接残余应力场的调控效应,利用热-应力顺序分析方法对该新型构造的焊接过程进行模拟,以获得其焊接温度场和焊接残余应力场分布。在此基础上,利用应力、应变初始化技术将焊接残余应力场导入超声冲击模型,使之成为超声冲击模型的初始分析状态。最后,基于动力显式分析方法对超声冲击过程进行模拟,模型中采用质量比例阻尼技术来降低动力显式分析过程中的数值震荡。
为说明该多步骤顺序分析有限元模型的合理性,分别从多个方面对模型进行验证:将计算熔化区形状与焊缝形貌进行对比来验证计算温度场的正确性;将计算纵、横向焊接残余应力分布与测试数据对比来验证计算焊接残余应力场的正确性;将计算冲击坑形状与实际形状对比、冲击后残余应力与测试数据对比来说明超声冲击过程模拟的正确性。在有限元模型正确性得到充分验证的基础上,开展超声冲击处理对新型U肋与顶板双面焊构造焊接残余应力场的调控效应研究,并对不同冲击次数和不同冲击速度下焊缝区域残余应力场的变化进行分析。
研究结果表明:该多步骤顺序分析有限元模型能够准确模拟超声冲击处理对新型U肋与顶板双面焊接构造焊接残余应力场的调控效应;经超声冲击处理,新型U肋与顶板双面焊接构造焊趾区域残余应力状态由拉转为压,应力降低幅度最大值为427.2 MPa;自顶板下表面至一定深度范围内均存在残余压应力,且最大压应力值出现在顶板亚表面;随超声冲击针冲击次数增加,新型U肋与顶板双面焊构造顶板下表面残余压应力量值、冲击影响深度均逐渐增大;随超声冲击针冲击速度增大,所引入的残余压应力最大值的分布深度逐渐增大,当冲击速度增大至7 m/s时,残余压应力最大值的分布深度已达0.8 mm。
伍家岗长江大桥纵肋与顶板细节疲劳性能研究
胡可宁, 张后登, 吴繁, 周志兴
2021, 36(10): 34-41. doi: 10.13206/j.gjgs20092801
摘要:
纵肋与顶板构造细节疲劳开裂是正交异性钢桥面板结构的典型疲劳病害,疲劳裂纹一旦裂穿顶板将引发铺装层破损和渗水锈蚀等次生病害,严重危害钢箱梁的耐久性和安全性。由于传统的焊接技术只能在闭口纵肋外侧单面施焊,使得纵肋与顶板传统单面焊构造细节焊根位置存在天然的“类裂纹”构造,导致其焊根位置疲劳开裂问题突出。为解决纵肋与顶板传统单面焊构造细节焊根位置疲劳开裂难题,依托伍家岗长江大桥项目,通过引入纵肋内焊技术,发展纵肋与顶板新型双面焊构造细节,以提升其疲劳性能。以纵肋与顶板构造细节为研究对象,基于等效结构应力法对其疲劳性能进行了系统研究,首先确定了纵肋与顶板传统单面焊构造细节和新型双面焊构造细节各疲劳开裂模式的影响面,在考虑了轮载横向分布概率的基础上确定了两种构造细节的主导疲劳开裂模式,并对其疲劳寿命进行了评估。
研究结果表明:纵肋与顶板传统单面焊构造细节和纵肋与顶板新型双面焊构造细节中各疲劳开裂模式的纵向影响线长度主要在构造细节相邻的两个横隔板之间;在轮载的纵向移动作用下,纵肋与顶板传统单面焊构造细节顶板焊根开裂模式和顶板焊趾开裂模式均以承受拉-压循环应力为主,轮载作用于传统单面焊构造细节的正上方(e=-150 mm)为其最不利横向加载位置;纵肋与顶板传统单面焊构造细节的主导疲劳开裂模式为顶板焊根开裂,在标准疲劳车作用下其最大等效结构应力幅值为70.4 MPa;在轮载的纵向移动作用下,纵肋与顶板新型双面焊构造细节的顶板内侧焊趾开裂模式和顶板外侧焊趾开裂模式均以承受拉-压循环应力为主,其最不利横向加载位置和纵肋与顶板传统单面焊构造细节相同,为轮载作用于构造细节的正上方(e=-150 mm);纵肋与顶板新型双面焊构造细节的主导疲劳开裂模式为顶板外侧焊趾开裂,其最大等效结构应力幅值为63.2 MPa;新型双面焊的引入使纵肋与顶板构造细节的主导疲劳开裂模式由传统单面焊构造细节的顶板焊根开裂迁移到新型双面焊构造细节的顶板外侧焊趾开裂,相较于传统单面焊构造细节,新型双面焊构造细节的疲劳寿命提升约42.4%。新型双面焊的引入可有效提升纵肋与顶板细节的疲劳性能。
板桁结合方式对钢桁梁桥整体节点疲劳损伤影响效应研究
徐召, 李怀峰, 张朝镪, 赵洪蛟, 马雪媛
2021, 36(10): 42-49. doi: 10.13206/j.gjgS21051301
摘要:
钢桁梁桥桥面系与主桁的共同作用效应将显著影响纵横梁内力和主桥刚度,对整体节点与相应受力构件连接细节的应力水平产生影响,进而影响相关构造细节的疲劳损伤效应。半结合和全结合的板桁结合形式是当前钢-混凝土组合桥面系最常用的两种形式,不同结合方式对桥面系与主桁共同作用效应有显著影响。为探究板桁结合方式对典型下承式钢桁梁桥整体节点疲劳损伤特征的影响效应,以一座宽幅大跨径下承式钢桁梁桥为例,通过分析控制横梁与节点连接细节和主桁下弦与节点对接细节疲劳损伤特征的内力分布规律,确定了两类构造细节对应的最不利整体节点位置,并基于等效结构应力法和线性损伤累积理论对其开展了多尺度疲劳损伤分析,确定了在板桁半结合和全结合方式下两类构造细节的主要开裂模式在标准疲劳荷载下的应力历程,从而剖析了两类构造细节的疲劳损伤特征,并基于串联失效模型确定了整体节点控制疲劳开裂模式,从而量化了板桁结合方式对整体节点疲劳损伤的影响效应。
研究结果表明:钢桁梁桥板桁全结合方式相较于半结合方式而言,能显著提高主桥刚度,从而减小横梁面外弯矩和主桁弦杆内力,但对横梁面内弯矩影响不明显;横梁与节点连接细节的疲劳损伤最不利整体节点位置为支座附近节点,主桁下弦与节点对接细节的疲劳损伤最不利位置为跨中附近节点,两类板桁结合方式下最不利节点位置没有差异;相较于板桁半结合方式,全结合方式使横梁与节点连接细节的等效结构应力幅降低了60%以上,主桁下弦与节点对接细节的等效结构应力幅降低了80%;整体节点控制疲劳开裂模式为裂纹起裂于横梁上翼缘与节点板连接焊缝的节点板焊趾,全结合方式下整体节点疲劳损伤度相较于半结合方式降低了64%。板桁结合方式对下承式钢桁梁桥的桥面共同作用效应产生显著影响,从而改变桥面系纵横梁和主桁杆件的受力状态,进而对整体节点疲劳损伤产生显著影响,因此在进行整体节点疲劳性能评估时应充分考虑桥面板与主桁的共同作用效应的影响。
斜拉桥锚拉板疲劳评估及足尺模型疲劳试验
裴必达, 王连华, 李立峰
2021, 36(10): 50-59. doi: 10.13206/j.gjgs20112801
摘要:
为了研究斜拉桥锚拉板关键疲劳细节的疲劳性能并对锚拉板关键疲劳细节进行疲劳评估,以乌江大桥为工程背景,根据MIDAS全桥杆系模型交通荷载下的索力幅值计算结果,选取了该桥最不利的中跨尾索锚拉板作为研究对象,采用通用有限元软件ANSYS建立了锚拉板三维分析模型并根据计算结果识别关键疲劳细节。结合JTG D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》、美国规范AASHTO LRFD Bridge Design Specifications以及欧洲规范Eurcode 3,采用名义应力法对锚拉板关键疲劳细节进行疲劳评估,同时建立热点应力局部分析模型并结合欧洲规范Eurcode 3和国际焊接学会规范,采用热点应力法对锚拉板结构关键疲劳细节进行疲劳评估,并对各规范的评估方法进行了对比分析,与此同时开展了锚拉板足尺模型疲劳试验研究。
理论分析结果表明:锚拉板与边腹板对接焊形成的锚拉板结构,其最不利位置为锚拉板与锚拉筒上部焊缝圆弧过渡处(细节A),需重点关注该细节。乌江大桥锚拉板结构关键疲劳细节采用名义应力法评估均满足三种规范中无限疲劳寿命设计要求,从疲劳荷载效应、名义应力取值、板厚效应以及细节分类等方面对三种规范的无限疲劳寿命设计方法进行对比,分析发现:采用欧洲规范进行无限疲劳寿命设计更为保守,从结构安全性角度考虑,推荐采用Eurcode 3对锚拉板进行名义应力无限疲劳寿命设计。
热点应力法分析结果表明:乌江大桥锚拉板满足Eurocode 3要求,相较于名义应力法,热点应力法的取值结果更为客观,疲劳强度-疲劳寿命(S-N)曲线相对统一,且受主观因素的影响较小。条件允许的情况下,推荐采用热点应力法对焊趾处细节进行疲劳评估。足尺模型疲劳试验结果表明:疲劳荷载加载200万次后结构仍处于弹性阶段,刚度未发生明显折减,结构表面未发现肉眼可见裂纹,增大疲劳荷载幅至640 kN,继续加载到300万次(等效为按初始疲劳荷载幅共加载约500万次),结构仍未开裂,锚拉板满足无限疲劳寿命设计要求。理论分析和模型试验均表明,乌江大桥锚拉板设计合理,抗疲劳性能满足工程要求。
钢结构热点探析
角焊缝的抗剪强度为何高于对接焊缝?
邹安宇
2021, 36(10): 60-60.
摘要: