某悬索桥钢箱梁疲劳病害及处治方法研究

针对柔性铺装正交异性钢桥面板的疲劳病害难以克服、横隔板弧形切口处疲劳裂纹主要由面外变形所致等认知问题以及横隔板疲劳裂纹的合理处治方法,以某悬索桥为工程背景,通过构造尺寸、运营荷载、疲劳病害等信息的汇集,移动轮载横隔板应力及其规律分析,以及横隔板疲劳裂纹处治方案比较研究,得到以下结论：①柔性铺装正交异性桥面板采用合理的结构形式与构造细节,可确保其通常运营荷载下的疲劳寿命|②横隔板弧形切口部位轮载应力主要为面内应力,该区域疲劳开裂主要原因为面外变形的传统结论值得商榷|③弧形切口区域轮载应力幅最大加载位置为纵向距关注横隔板0.3m,横向位于横隔板关注锯齿块正上方|④轮载对弧形切口处应力幅的影响范围为：纵向两端各1.5倍横隔板间距,横向两侧各2.0倍U肋间距|⑤横隔板疲劳裂纹处治可采用“优化弧形切口”或“优化弧形切口+双面补强钢板”方法,且弧形切口和补强钢板形状可全桥统一。     

钢箱梁新型构造对横隔板弧形缺口部位疲劳应力影响研究

根据国内外钢箱梁的设计经验,选取3种不同的横隔板优化结构形式,通过有限元方法建立钢桥面板的空间有限元模型,计算U肋与横隔板连接焊缝末端和横隔板弧形缺口2种构造细节在车轮荷载作用下的应力幅值,得出不同横隔板优化结构形式对横隔板弧形缺口部位疲劳应力的影响。研究结果表明:设置横隔板间小横肋可有效降低两处构造细节的应力幅,但该优化结构对横隔板弧形缺口细节的影响较U肋与横隔板连接焊缝末端细节小;设置内隔板后两处构造细节的应力幅均有所下降,其中采用内隔板上缘距桥面板顶板20 mm、下缘距U肋与横隔板焊接末端20 mm的设计形式效果最佳;设置弧形缺口加劲肋对焊缝末端和弧形缺口两处构造细节的应力幅均有较大影响,减小了构造细节发生疲劳开裂的可能性。     

纵肋-横隔板弧形切口应力响应的面外特征研究

为获得正交异性钢桥面板横隔板弧形切口母材在典型轮载作用下的应力响应的面外特征,开展了随机车流下正交异性钢桥面板弧形切口应力监测和分析。研究表明:一辆卡车通过横隔板弧形切口将产生与轴组数量对应的应力幅,其应力响应不能分辨轴组内单轴;在超载卡车作用下横隔板弧形切口将产生很大的应力响应,应力峰值可能会大于钢材的容许应力,而此时弧形切口处于双向受压状态,活载应力幅为压应力幅;研究同时发现,横隔板会受到面外弯曲作用,靠纵肋-横隔板焊缝下端越近,其面外变形越大,产生的面外应力越大。     

螺栓加强板对横隔板弧形切口的加固研究

为研究螺栓加强板对横隔板弧形切口的加固作用,通过现场监测随机车流下加固前和加固后的弧形切口的应力响应,获得了加固前和加固后的弧形切口应力谱。基于等效损伤原则获得加固前、后弧形切口构造细节的等效应力幅和加载次数,结合AASHTO规范开展了加固前、后弧形切口构造细节的疲劳评价。研究表明:横隔板弧形切口主要受面内应力影响,螺栓加强板增加了横隔板的厚度,明显降低了弧形切口的应力水平,横隔板厚度过薄是导致该桥弧形切口疲劳开裂的原因,螺栓加强板可以改善弧形切口的疲劳性能。     

轻型组合桥面板球扁钢纵肋-横隔板连接细节局部应力分析

为降低正交异性钢桥面板疲劳开裂的风险,提出带球扁钢纵肋的轻型组合桥面板方案。以洞庭湖二桥轻型组合桥面板为工程背景,建立钢桁梁局部有限元模型和球扁纵肋-横隔板连接细节的子模型,并基于热点应力法,对横隔板上开孔孔型和厚度进行了参数分析。研究表明：球扁纵肋-横隔板连接处3个典型疲劳细节的疲劳性能受横隔板厚度影响显著|综合比较,苹果型开孔的疲劳性能最优。为进一步验证轻型组合桥面板的球扁钢纵肋-横隔板连接处3个细节的疲劳性能,开展了足尺模型疲劳试验,试验模型采用16mm厚带苹果型开孔的横隔板设计。疲劳试验中,控制细节（横隔板切口自由边缘）的应力幅为90.6MPa,历经250万次循环加载后,试验模型中典型疲劳细节均未出现疲劳裂纹。这表明,带球扁钢纵肋的轻型组合桥面板关键细节的疲劳性能良好,能满足洞庭湖二桥的工程要求。     

设内隔板正交异性钢桥面板足尺模型疲劳试验

针对U肋内侧增设内隔板的构造形式,开展正交异性钢桥面板足尺模型的静力及疲劳试验,分析内隔板对正交异性钢桥面板连接细节的力学性能及疲劳强度的改善。试验结果表明:内隔板对U肋与横隔板开孔根部连接位置的应力集中改善明显,对其他易发生疲劳破坏的连接细节应力水平亦有所改善,静力分析数值模型计算结果与静力试验结果吻合;常幅疲劳加载至230万次时,在U肋腹板位置发现3条明显的顺桥向裂纹,以距离焊趾10 mm位置的测点应力下降作为判断疲劳破坏的依据,无内隔板U肋腹板连接处疲劳强度高于Eurocode 3和AASHTO所规定的疲劳强度,而受焊接初始缺陷的影响,增加内隔板后U肋腹板连接处疲劳强度高于Eurocode 3而低于AASHTO中所规定的疲劳强度;U肋与横隔板开孔根部的焊缝质量对疲劳裂纹的产生和发展影响显著。     

大尺寸纵肋顶板-U肋构造细节的受力分析

为研究正交异性钢桥面板横隔板无外切口大尺寸U肋-顶板焊接构造细节的疲劳性能,建立有限元模型,计算得到该构造细节在轮载作用下的应力随轮载位置变化的规律和相应应力幅,并与传统尺寸正交异性钢桥面板的受力情况进行对比。研究表明:大尺寸U肋正交异性钢桥面板的应力影响线较长,受力性能与传统正交异性钢桥面板有差别;当轮载作用在U肋上方面板的面积越多时,构造细节的应力越大;构造细节面板处的面外弯曲应力较大,而U肋腹板处的面外应力很小。     

正交异性钢桥面板横隔板局部模型疲劳试验研究

正交异性钢桥面板U型加劲肋与横隔板连接处是该类结构较为重要的疲劳易损部位之一。以横隔板弧形切口最小截面处的疲劳细节为研究对象,针对性地提出一种简化的横隔板局部试验模型,通过数值模拟与桥面系足尺模型进行对比,验证了试验模型的合理性。采用该试验模型对3种常用横隔板孔型进行疲劳试验,分析了该试验模型的疲劳破坏模式以及细节处的疲劳性能,最后得到S-N曲线并与各国规范进行比较。结果表明,不同孔型条件下疲劳裂纹容易在弧形切口最小截面处发生。Eourcode3推荐的铁路孔型和传统椭圆孔在弧形切口最小截面处的疲劳性能十分接近,均优于Eourcode3推荐的公路孔型,并且三种孔型的疲劳细节均高于我国钢桥规范和Eourcode3的71类细节等级。综合建议采用Eourcode3推荐的铁路孔型,在考虑保证率为97.7%的前提下,该细节的循环200万次的疲劳强度可取135 MPa。     

横隔板缺口形式对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响研究

以梯形及矩形截面形状的纵向加劲肋组合3种缺口类型的横隔板,建立正交异性闭口加劲钢桥面板有限元实体模型进行加载,用ANSYS程序计算分析了横隔板不同缺口形式的正交异性钢桥面板力学性能、正交异性钢桥面板、纵肋、横隔板三者连接处的应力状态以及不同缺口形式的正交异性钢桥面板疲劳性能,研究了横隔板缺口形式对正交异性钢桥面板静力力学性能以及疲劳性能的影响。     

正交异性钢桥面板U形肋与横隔板连接处弧形缺口几何参数优化研究

纵肋与横肋交叉连接处弧形缺口的疲劳裂纹是钢箱梁正交异性钢桥面板最典型的疲劳裂纹之一。该部位受力复杂,欧洲、日本和美国规范基于不同的侧重点,针对该构造细节的设计建议差别较大。通过精细化的有限元计算,对钢箱梁正交异性钢桥面板U形肋与横隔板交叉连接部位横隔板腹板上弧形缺口的形状、弧形缺口高度等进行参数分析,比较横隔板腹板上弧形缺口构造细节的合理性,选定最优设计几何参数。     

钢梁腹板斜截面主拉应力幅超值疲劳机理研究

钢梁腹板纵向纤维受压区和中性轴附近纯剪区疲劳裂缝的出现很难用正截面疲劳应力幅是否超标来判别。本文对受疲劳荷载钢梁腹板中部纯剪区、上部受压区及下部受拉区的应力单元进行了分析,揭示了因轮压滚动引起单元体剪应力变号,从而引起主应力面拉、压应力突变,造成很大的疲劳应力幅。因而,对于腹板剪应力水平较高的梁,存在较大的危险性。同时,本文说明了因剪应力变号而发生的腹板疲劳裂缝,其扩展机理不同于因拉应力幅而引起的翼缘疲劳裂缝的扩展机理,前者属于渐进型,后者属于扩张型。     

鸟嘴式X形方管节点在支管荷载作用下的应力集中及疲劳性能研究

为研究鸟嘴式X形方管节点的应力集中特性和疲劳性能,设计了8个节点试件,并开展支管轴力工况和支管面内弯矩工况下的疲劳试验。通过静力单调加载试验,测得焊趾附近的应变分布,并采用二次外推法得到热点应力值和应力集中系数(SCF),分析此类节点在典型支管工况下的关键热点区域;同时,基于有限元参数分析揭示节点几何无量纲参数对SCF的影响规律,并提出SCF计算式。在此基础上开展循环加载试验,得到节点的疲劳破坏模式、裂纹扩展过程、刚度退化及疲劳寿命等性能指标。研究表明：支管轴力工况下的SCF最大值位于主管鞍部或支管鞍部,支管面内弯矩工况下的SCF最大值均位于支管冠部;裂纹多萌生于SCF最大值区域,且在裂纹贯穿壁厚之后节点刚度急剧下降;裂纹达到极限长度时,支管轴力工况下的节点刚度退化率在14%以内,而支管面内弯矩工况下的节点刚度退化率最大达40%;国际管结构协会疲劳设计指南的Srhs-N曲线可用于评估鸟嘴式节点的疲劳寿命;在同等名义荷载作用下,鸟嘴式方管节点的疲劳性能要显著优于相同几何尺寸的传统方管节点。     

Fatigue life prediction of heavy mining equipment. Part 2: Behaviour of corner crack in steel welded box section and remaining fatigue life determination

Frequent fatigue failure of mining equipment has created a need for fatigue life prediction of several components that suffer from frequent recurrence of fatigue cracking. The focus of this paper is the frequent occurrence of fatigue cracks in the boom of cable shovels, which consists of a twin box girder joining together near both extremities. After the determination of load spectrum and the material fatigue properties by field monitoring and material testing, the fatigue behaviour of a cracked shovel boom was investigated. Two-tip corner cracks were of particular interest since they are commonly observed in the field. These cracks typically initiate in the flange at the toe of web to flange or flange to diaphragm welds and propagate into the web. Detailed finite element models with corner cracks were developed for the boom and stress intensity factors for various crack configurations were evaluated from the finite element analysis results. The growth behaviour of corner cracks was studied and a simplified method is presented for the fatigue life prediction. Fracture toughness tests were conducted on single edge notch bend specimens at room temperature and low temperature (−50 ^°C). The remaining life of a cracked boom is then determined based on brittle fracture or unstable crack growth.     

深圳至中山跨江通道钢桥面板结构疲劳试验研究

正交异性钢桥面板的疲劳开裂问题是制约桥梁工程可持续发展的关键难题,亟需发展具有高疲劳抗力特性的正交异性钢桥面板结构。依托深圳至中山跨江通道项目,在钢桥面板结构中同时引入纵肋与顶板新型双面焊构造细节和纵肋与横隔板新型交叉构造细节两类构造细节,设计9个足尺节段模型,通过模型试验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、纵肋与横隔板传统交叉构造细节和新型交叉构造细节的疲劳开裂模式和实际疲劳抗力;采用扫描电子显微镜(SEM)确定了不同制造工艺条件下纵肋与顶板焊接细节的初始制造缺陷尺度;采用等效结构应力法确定了两类细节各疲劳开裂模式的疲劳抗力。研究结果表明：纵肋与顶板传统单面焊构造细节的疲劳裂纹起裂于顶板焊根并沿顶板厚度方向扩展,其疲劳抗力为95.1～98.7MPa,新型双面焊构造细节的疲劳裂纹起裂于顶板内侧焊趾并沿顶板厚度方向扩展,其疲劳抗力为108.5～123.2MPa,且在相同加载条件下,双面埋弧焊构造细节的疲劳抗力高于双面焊气体保护焊构造细节的疲劳抗力;传统单面焊构造细节焊根的初始制造缺陷尺度显著大于新型双面焊构造细节焊趾的初始制造缺陷尺度,且双面埋弧焊的初始制造缺陷尺度小于双面气体保护焊的初始制造缺陷尺度,初始制造缺陷尺度的差异是不同制造工艺条件下纵肋与顶板焊接细节疲劳抗力存在差异的主要原因;纵肋与横隔板传统交叉构造细节的疲劳裂纹起裂于纵肋腹板焊缝端部焊趾并沿纵肋腹板扩展,新型交叉构造细节的疲劳裂纹起裂于纵肋底板焊缝端部焊趾并沿纵肋底板扩展,两类构造细节的起裂次数基本一致,但新型构造细节的疲劳裂纹扩展速率远低于传统构造细节的疲劳裂纹扩展速率;纵肋与顶板焊接构造细节和纵肋与横隔板交叉构造细节各疲劳开裂模式的实际疲劳抗力基本位于主S-N曲线±2σ之间。     

钢管K形节点足尺模型疲劳性能试验研究

为研究钢管K形节点的疲劳性能,进行了足尺模型的疲劳试验,采用梯度应变片测量焊缝区域应力变化,采用相控阵扫描成像检测系统(简称相控阵)检测初始缺陷和疲劳裂纹,对疲劳开裂后的钢管K形节点进行切片观测,研究节点相贯焊缝附近的热点应力分布、疲劳裂纹扩展规律和疲劳破坏模式等,并分析了采用名义应力法和热点应力法评定钢管K形节点疲劳寿命的合理性。结果表明:钢管K形节点的热点应力宜采用梯度应变片得到的梯度应力进行线性外推得到,最大热点应力位于主管和受拉支管相贯焊缝靠近主管侧的冠点处;节点两侧鞍点热点应力值最大误差率为6.64%,节点基本不受面外弯矩影响;采用相控阵检测能够对节点初始缺陷和疲劳裂纹进行定位、定性和定量分析;切片观测结果表明,钢管K形节点疲劳裂纹属于张开型I裂纹;疲劳裂纹的萌生、扩展和破坏阶段分别对应的加载次数为0~229.1万次、229.1~245.5万次和245.5~251.2万次,疲劳裂纹萌生于热点应力最大主管和受拉支管相贯焊缝靠近主管侧的冠点处,其疲劳破坏属于弹性范围内的脆性破坏;名义应力法由于名义应力幅放大系数偏大,评定所得的钢管K形节点疲劳寿命过于保守;基于热点应力法,CIDECT评定所得结果偏不安全,API评定结果具有1.11倍的安全富余,适用于评定本试验中钢管K形节点的疲劳寿命。     

Prediction of fatigue crack growth in steel bridge components using acoustic emission

The correlation of acoustic emission (AE) signal characteristics with crack growth behavior is of paramount importance to structural health monitoring and prognosis for in-service steel bridges. Relationships between AE absolute energy rate and crack growth rate are developed and presented. The relationships are based on experimental investigations intended to represent conditions found for in-service steel bridges. The approach presented is independent of the stress intensity range, which may simplify the life prediction procedure because stress intensity range is not always well defined in actual bridge components. Fatigue tests were performed to detect AE signals from fatigue cracks using compact tension (CT) specimens made of ASTM A572G50. Noise induced AE signals were filtered through a combined approach involving Swansong II Filters and investigation of waveforms, which are appropriate for data filtering and interpretation of field tests. Based on the experimental data and presented model, procedures for predicting crack extension and remaining fatigue life were carried out. Agreement between the predicted cracks and actual cracks verified the presented model and procedure. The study indicates that AE absolute energy rate may be more suitable than count rate in fatigue life prediction for the material of interest.     

Low-Cycle Fatigue Crack Propagation Behavior of Cracked Steel Plates Considering Accumulative Plastic Strain

AH-32 steel has been widely used in ship and marine structures but not been extensively studied for low-cycle fatigue (LCF) crack growth characteristics. The objective here is to explore the evolution mechanism behind LCF crack propagation behavior under different load conditions, for which the investigation of experimental and numerical simulation is considered in a detailed manner. An analytical model is presented to consider the effect accumulative plastic strain for ship cracked plate subjected to high stress cyclic loading. Different numerical parameters are proposed to quantify stress–strain field near crack-tip, and an integral model is developed to calculate the magnitude of the compressive stress. The effect of the maximum and minimum load on crack closure level is analyzed. The results show that there is an excellent correlation between LCF crack closure parameter and the magnitude of the compressive stress in the plastic wake, which indicates the presented integral model provides a new way for LCF crack propagation analysis.     

含单裂纹真实岩石试件断裂模式的力学试验研究

 为研究岩石单裂纹试样断裂特性,通过在真实岩石试样中预制了45°单裂纹,基于MTS815.03电液伺服岩石试验机,进行围压分别为0,5,10 MPa的力学试验,分析围压对裂纹扩展断裂模式的影响规律,根据断裂力学理论建立裂纹扩展力学模型,基于最大径向剪应力准则获得次生裂纹理论起裂角。结果表明：(1) 裂纹初始断裂时具有明显的前兆信息,在全应力–应变曲线上表现为明显的应力降现象;(2) 试验结果中观察到了I型翼裂纹、II型反翼裂纹以及II型次生共面裂纹,试验中得翼裂纹起裂角为68°～73°,反翼倾斜裂纹起裂角为－119°～－125°,裂纹起裂角理论结果为0°,70.5°,－123.8°,试验结果与理论计算结果基本相符;(3) 起裂应力为峰值应力的90%～95%,细砂岩试样抗压强度峰值与围压存在较好的线性关系,拟合得?c = 2.69?3+61.9,相关系数R2 = 0.97;(4) 裂纹断裂具有明显的围压效应,围压为0 MPa时,断裂模式为翼裂纹和次生倾斜反翼裂纹,翼裂纹以弯曲路径扩展,扩展渐近线朝向轴向加载方向,反翼裂纹近直线扩展;围压为5 MPa时,试样为反翼裂纹断裂模式;围压为10 MPa时,试样为反翼裂纹与次生共面裂纹断裂模式。     

碾压混凝土拱坝诱导缝开裂的等效应力准则研究

通过多组不同削弱度的深埋椭圆裂缝、深埋矩形裂缝、穿透裂缝三种形式的碾压混凝土试件单轴拉伸试验结果,建立深埋矩形裂缝碾压混凝土试件的应力强度因子的近似解析表达式,考虑尺寸效应得到碾压混凝土材料的断裂韧度。根据碾压混凝土拱坝诱导缝构造特点,分别将矩形诱导缝简化为修正穿透裂缝模型和修正深埋椭圆裂缝模型,假定为I型开裂,考虑相邻裂缝的影响,采用虚拟裂缝模型和线弹性断裂力学相结合的方法建立裂缝失稳扩展时的亚临界扩展量和等效断裂韧度的解析表达式,应用双K断裂准则,建立碾压混凝土拱坝诱导缝开裂的等效应力准则。并将此结果应用到三维非线性应力场仿真计算中,对沙牌碾压混凝土拱坝进行非线性开裂计算分析。