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钢桥面板焊接夹杂物处疲劳裂纹扩展特性研究

陈振宇 谢波 鲁乃唯

陈振宇, 谢波, 鲁乃唯. 钢桥面板焊接夹杂物处疲劳裂纹扩展特性研究[J]. 钢结构(中英文), 2025, 40(2): 63-70. doi: 10.13206/j.gjgS24032101
引用本文: 陈振宇, 谢波, 鲁乃唯. 钢桥面板焊接夹杂物处疲劳裂纹扩展特性研究[J]. 钢结构(中英文), 2025, 40(2): 63-70. doi: 10.13206/j.gjgS24032101
Zhenyu Chen, Bo Xie, Naiwei Lu. Research on Fatigue Crack Propagation Characteristics of Welding Seam Inclusions in Steel Bridge Decks[J]. STEEL CONSTRUCTION(Chinese & English), 2025, 40(2): 63-70. doi: 10.13206/j.gjgS24032101
Citation: Zhenyu Chen, Bo Xie, Naiwei Lu. Research on Fatigue Crack Propagation Characteristics of Welding Seam Inclusions in Steel Bridge Decks[J]. STEEL CONSTRUCTION(Chinese & English), 2025, 40(2): 63-70. doi: 10.13206/j.gjgS24032101

钢桥面板焊接夹杂物处疲劳裂纹扩展特性研究

doi: 10.13206/j.gjgS24032101
基金项目: 

国家重点研发计划项目(2021YFB2600900)。

详细信息
    作者简介:

    陈振宇,高级工程师,从事高速公路建设管理工作。Email:31498612@qq.com

Research on Fatigue Crack Propagation Characteristics of Welding Seam Inclusions in Steel Bridge Decks

  • 摘要: 正交异性钢桥面板成为大跨度桥面板的主要结构形式之后,由于钢桥面板焊缝较多,焊缝内部或表面很容易产生初始裂纹及夹杂、气孔等焊接缺陷,导致在役钢桥面板焊缝处疲劳开裂现象较为普遍。现有研究多将焊接缺陷简化为平面半椭圆形状,而忽略了焊接缺陷的物理属性,导致焊接缺陷对疲劳裂纹的影响机理不明确。为了研究焊接缺陷对钢桥面板疲劳裂纹扩展行为的影响,结合线弹性断裂力学和FRANC3D-ABAQUS交互模拟技术,开展了钢桥面板焊接夹杂处疲劳裂纹扩展数值模拟。基于ABAQUS建立了含裂纹和夹杂物的半U肋精细化有限元模型,并在焊趾处插入夹杂物,随后将含夹杂物的有限元模型导入到FRANC3D中,并在焊趾夹杂物附近插入一个初始疲劳裂纹,通过改变夹杂物的弹性模量来模拟软夹杂与硬夹杂效应。分析了钢桥面板U肋-顶板焊缝处疲劳裂纹与夹杂物之间的相互作用,揭示了焊接夹杂物对裂纹应力强度因子(SIF)、裂纹形态和扩展速率等关键参数的影响,模拟了裂纹穿过夹杂物过程中的动态扩展轨迹。分析结果表明:焊接夹杂物改变了疲劳裂纹的应力场,硬夹杂的应力集中点位于夹杂内部,而软夹杂的应力集中点位于裂纹近端点前侧,焊缝夹杂影响下焊趾处的疲劳裂纹为I-III型裂纹;夹杂物的弹性模量对疲劳裂纹扩展特性影响较大,软夹杂对裂尖SIF有短暂的抑制作用,但在裂纹全寿命周期中促进了裂纹的扩展速率,而硬夹杂的作用效果则完全相反,相对于无夹杂缺陷的焊缝而言,软夹杂使焊缝疲劳寿命减小7.8%,而硬夹杂使焊缝疲劳寿命增加10.1%;在裂纹扩展过程中的形态普遍趋于扁平化,但夹杂的存在显著影响其对称性,主要表现在软夹杂吸引裂纹近端点,导致局部集中扩展,而硬夹杂则产生排斥效应,使裂纹扩展方向发生偏离;硬夹杂对裂纹形状的影响更为显著,与远离夹杂的区域相比,接近硬夹杂的裂纹尖端部分平坦度增加了22%。在钢桥面板焊接过程中应严格控制夹杂物的分布和类型,在进行疲劳寿命预测时应考虑夹杂物对焊缝的影响。
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-03-21
  • 网络出版日期:  2025-03-24

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