纵肋与横隔板交叉构造细节穿透型疲劳裂纹扩展特性及其加固方法研究

纵肋与横隔板交叉构造细节是正交异性钢桥面板最易发生疲劳开裂的构造细节,通过建立有限元数值模型,采用断裂力学方法,研究栓接角钢加固方式对该处疲劳易损细节穿透型裂纹的加固效果。基于疲劳试验足尺节段模型相对应有限元模型,建立了纵肋与横隔板焊接处穿透型疲劳裂纹模型,针对栓接角钢和纵肋外侧栓接钢板两种加固技术的加固效果进行评估。研究结果表明：钢桥面板纵肋与横隔板交叉构造细节的疲劳裂纹扩展至一定长度后将发展成穿透型裂纹,裂纹面受力复杂,纵肋腹板内外侧疲劳裂纹扩展特性表现的不一样,但是随着裂纹扩展的逐步进行,裂纹尖端的开裂模式均以复合型开裂为主;栓接角钢加固方式主要抑制纵肋与横隔板交叉构造细节易损部位疲劳裂纹的I型开裂,因此能很好地抑制短裂纹的扩展,但对于该细节处以复合形式扩展的穿透型疲劳裂纹的加固效果并不显著;在纵肋外侧栓接半U形钢板的加固方法能有效改善穿透型疲劳裂纹的等效应力强度因子,并且加固之后均保持在裂纹扩展阈值以下,表明该加固方式对穿透型疲劳裂纹有良好加固效果。     

正交异性钢桥面板疲劳裂纹扩展机理及数值模拟研究

为追踪正交异性钢桥面板的疲劳裂纹扩展过程及通用的正交异性板钢桥抗疲劳设计与开裂加固提供理论指导,提出基于实桥有限元模型进行正交异性钢桥面板疲劳裂纹扩展模拟方法及流程。建立桥梁整体有限元模型进行恒活载作用下整体分析,结合实桥调查结果确定全桥疲劳关键部位;建立含焊接细节的疲劳关键部位精细化模型进行疲劳应力幅分析,并基于车桥耦合振动分析考虑冲击系数对应力幅影响,确定裂纹扩展方向、路径及寿命,进行疲劳裂纹扩展全过程分析;以既有大跨度斜拉桥正交异性桥面板疲劳裂纹扩展分析为例,验证该方法与计算流程的可行性、准确性,并为该桥运营期疲劳失效维修、加固提供理论依据。     

随机轮载下钢桥面顶板与纵肋焊缝疲劳裂纹扩展特性研究

车辆轮迹横向分布是钢桥面板焊缝处产生随机应力谱的一项关键因素,加之焊接缺陷形态的随机性,诱发钢桥面板疲劳裂纹随机扩展行为。为了研究钢桥面顶板焊缝处疲劳裂纹的随机扩展特性,基于断裂力学理论与扩展有限元方法分析了轮迹横向分布对钢桥面板顶板焊根和焊趾等效应力强度因子的影响规律,揭示了轮迹横向分布离散度、初始裂纹深度和初始裂纹形态比对焊缝处疲劳裂纹随机扩展路径分布的影响规律。结果表明：轮载中心处于U肋正上方中心和焊缝中心位置分别为顶板焊趾和焊根的最不利横向加载工况;车辆轮迹横向分布对顶板焊根和顶板焊趾疲劳裂纹前缘应力强度因子影响差异显著,顶板焊根最大等效应力强度因子为85.99 MPa·mm^1/2,比顶板焊趾增加了6.72%;轮迹横向分布离散度和初始裂纹深度与钢桥面板焊缝处疲劳裂纹随机扩展路径分布离散程度成正相关,初始裂纹形态比与其成负相关;焊缝细节初始裂纹深度越大,车辆荷载对其横向影响范围越大;焊缝细节初始裂纹形态比越大,车辆荷载对其横向影响范围变化不明显。     

3 0CrMnSi 2A钢飞机主梁疲劳断裂分析

用扫描电镜观察了某型飞机机翼主梁的疲劳断口，和疲劳条带估算了裂纹扩展寿命，并用Zheng-Hirt公式估算出裂纹尖端应力强度因子范围，估算结果与实验测定值十分接近，从而为研究老龄飞机的使用寿命，进行了有益的探索。     

拉—拉疲劳下15MnMoVN多裂纹扩展研究

为分析单裂纹或多裂纹在裂纹面承受疲劳拉伸载荷作用下尖端应力强度因子变化规律和裂纹形貌变化以及疲劳寿命情况,以含不同初始长深比的半椭圆单裂纹或双裂纹的薄片试样为研究对象,对试样在应力比R=0.1的疲劳拉伸载荷下单裂纹或双裂纹情况进行了仿真分析。建立含裂纹试样的有限元模型,仿真分析了裂纹在扩展过程中尖端应力强度因子的分布情况,并将单裂纹扩展结果与双裂纹相互作用影响下的结果进行了对比研究;进行含裂纹试样的疲劳实验,分析了含单裂纹或双裂纹的试样的断裂面的形成原因,并验证仿真结果正确性。结果表明,裂纹面之间的相互作用会逐渐影响裂纹的扩展方向、扩展速率以及在扩展过程中尖端应力强度因子的变化趋势;而且初始形貌为半椭圆形的双裂纹在相互作用影响下会逐渐过渡到半圆形。     

轮载作用下正交异性钢桥面板构造细节受力特征及机理研究

为明确正交异性钢桥面板(OSD)构造细节的轮载局部应力效应及受力特征,开展了横桥向3个典型工况的货车加载试验和有限元分析,记录了货车低速通行下OSD构造细节的应力时程,研究了构造细节轮载应力行为和机理。研究表明：OSD构造细节轮载局部应力效应显著,构造细节的明显加载效应局限在横桥向轮载中心两侧各1倍纵肋中心距范围,表明OSD疲劳研究无须考虑货车左右轮或相邻车道货车并行的叠加效应。在显著局部应力范围内,货车每个车轴在纵肋-面板(RD)构造细节产生一个应力循环;跨肋式是RD、纵肋-横隔板(RF)焊缝和弧形切口(Cutout)构造细节横桥向最不利轮载位置。轮载作用下沿横桥向,RD面板侧以面板受纵肋腹板支承的连续梁受力为机理,纵肋侧以RD两侧面板和纵肋的弯矩平衡受力为机理;纵肋-横隔板纵肋侧(RF-R)构造细节以横隔板支承的连续梁支点负弯矩受力为机理;纵肋-横隔板横隔板侧(RF-F)构造细节以位于横隔板腹板上方受压为机理;弧形切口细节以空腹桁架竖杆受压为机理。明确的轮载应力局部范围和机理,能简化OSD结构疲劳有限元分析,有助于改善OSD结构抗疲劳设计。     

桥梁高性能钢HPS485W疲劳裂纹扩展速率试验研究

以国产桥梁用高性能钢HPS485W为研究对象,对7.5mm、12.5mm和19.5mm的HPS485W紧凑拉伸试样分别在应力比R=0.1、R=0.5和R=0.8的疲劳荷载下进行疲劳裂纹扩展速率(da/dN)试验,采用七点递增多项式的方法进行局部拟合求得试样的疲劳裂纹扩展速率。与传统桥梁用钢14MnNb相比,该文试验测得高性能钢HPS485W具有更优越的忍受疲劳裂纹扩展能力。试验结果表明：试样厚度是影响疲劳裂纹扩展速率的关键因素;对同一厚度的试样,疲劳裂纹扩展速率随着应力比R的增大而增大。此外,对19.5mm试样在荷载比R=0.1的情况下,进行工程门槛值的试验测定和理论门槛值的数值求解,分析求得19.5mm的HPS485W的理论门槛值为7.22MPa·m^1/2。该文试验得到的HPS485W疲劳裂纹扩展曲线,可用于高性能钢桥的抗疲劳、防断裂设计与寿命预测。     

10Ni5CrMoV钢及其焊接接头Paris模型参数统计及疲劳裂纹扩展寿命预测

对10Ni5CrMoV钢及其接头疲劳裂纹扩展过程采用Paris模型进行拟合,并对参数c和m进行统计分析,结果表明,拟合得到的c和m与疲劳寿命吻合较好,lgc和m均符合正态分布,且具有良好的线性关系而疲劳裂纹扩展寿命呈成布尔分布。     

基于断裂力学的圆钢管混凝土T型焊接节点疲劳寿命预测

该文应用线弹性断裂力学基本原理预测圆钢管混凝土桁架焊接T型节点的疲劳寿命。首先,进行了一些节点的疲劳试验,作为验证节点疲劳寿命预测是否可靠的参考数据;其次,建立了基于断裂力学的疲劳寿命数值模拟的模型和流程框图,采用ANSYS软件编制了APDL宏命令,实现了节点疲劳寿命的计算;最后,分析了节点疲劳裂纹的扩展特性。研究结果表明：断裂力学数值模型能较好地预测这种复杂的钢混组合节点的疲劳寿命;在正常的焊接质量条件下,不同的初始裂纹尺度对节点疲劳扩展寿命的影响不大;裂纹在长度方向的扩展速度大于在深度方向的扩展速度;裂纹深度在达到1/2主管壁厚之前,裂纹沿深度方向的扩展非常缓慢,大部分的疲劳寿命消耗在此阶段,之后裂纹沿深度方向的扩展较快。     

正交异性钢桥面板肋-面板焊缝疲劳验算的应力分析模型评估

以天津塘沽海河大桥的正交异性钢桥面板为例,建立钢箱梁节段的有限元分析(FEA)模型、简化FEA模型和基于钢箱梁节段的子模型进行肋-面板焊缝疲劳应力分析模型的评估。计算结果表明:对于远离纵腹板处的肋-面板焊缝,通过提高简化FEA模型中横隔板高度和约束横隔板底部翼缘的方式可减小与钢箱梁节段FEA模型结果的误差;对于靠近纵腹板处的肋-面板焊缝,所有简化FEA模型的应力计算结果均低于钢箱梁节段FEA模型的结果,且误差超过23%。基于钢箱梁节段的三跨子模型可以准确地给出钢桥面板任意位置的肋-面板焊缝的疲劳应力。它具有钢箱梁节段FEA模型的计算精度和简化FEA模型的计算效率,因此它可作为正交异性钢桥面板任意位置处肋-面板焊缝疲劳应力分析的准确和高效计算模型。     

铁路正交异性桥面加劲肋-横隔板局部疲劳受力特性研究

正交异性钢桥面因整体性好、承载力强等优势在铁路大跨度桁梁及箱梁斜拉桥、拱桥等桥型中应用越来越广泛,其疲劳特性与公路桥面具有显著的差异。针对铁路正交异性钢桥面加劲肋与横隔板连接处的疲劳敏感区,通过弹性支撑梁理论及闭口薄壁杆件理论分析其局部受力特征,提出了加劲肋疲劳敏感部位面内疲劳应力的解析公式,分析了解析公式中各疲劳影响因素的影响程度及作用机理。基于甬江特大桥——大跨度铁路斜拉桥的钢箱梁正交异性桥面设计了包含2个U肋及2个V肋的正交异性桥面疲劳试验模型,并进行了560万次疲劳加载。研究结果表明：解析公式与有限元分析、试验测试结果相符良好;试验模型测试结果能准确反映疲劳敏感点的应力情况,解析理论则能够反映疲劳敏感点应力的影响因素与规律;在铁路荷载下,加劲肋与横隔板的焊缝长度和加劲肋腹板倾角的增大能够有效降低加劲肋的疲劳应力幅;在铁路正交异性钢桥面板中面积相近、抗弯刚度相等的V肋比U肋具有更好的抗疲劳工作性能。     

正交异性钢桥面疲劳开裂研究

正交异性钢桥面板的钢结构桥梁在车辆荷载作用下易出现疲劳开裂,为了解决这一问题,该文采用在正交异性钢桥面板上设置薄层RPC(Reactive-Powder-Concrete)超高性能混凝土层,将钢桥面转变成组合桥面,从而提高了桥面刚度,能有效改善结构受力状态,且不会增加桥梁上恒载重量。通过对某大桥的计算分析表明:采用组合桥面后,车辆荷载作用下的钢桥面应力大幅度下降。钢桥面疲劳敏感点处的拉应力降幅达到71.32%~72.39%,大幅度的提高了钢桥面的抗疲劳寿命;薄层RPC面板的高强度和高韧性,完全能满足组合桥面的最大拉应力10.08MPa的强度要求,成为钢桥面上的永久结构层,可以大幅度降低钢桥面板的开裂风险。     

钢桥钢梁整体节点疲劳试验研究

本文研究了钢桥钢梁中棱角焊缝构造细节的疲劳问题。依据钢桥设计中所采用的钢梁棱角焊缝构造细节形式,模拟设计制备了该细节的疲劳试件。通过疲劳试验研究和有限元分析,确定了该细节的疲劳抗力曲线和有关的统计参数,并建立了棱角焊缝构造细节疲劳破坏模型。该模型对于工程设计、桥梁检修等方面具有重要意义。     

钢板-混凝土组合桥面板疲劳性能试验研究

为研究钢板-混凝土组合桥面板在疲劳荷载下的受力性能,该文完成了10块钢板-混凝土组合桥面板试件的等幅疲劳试验研究。试验主要考察栓钉布置、开孔钢板连接件数量及疲劳荷载幅值等3个因素对组合桥板的疲劳破坏模式及疲劳损伤程度的影响。试验过程中对组合桥面板各个主要时刻的动挠度、混凝土应变、底部钢板应变、残余挠度及剩余承载力进行测...     

基于Beach Marking方法的钢结构疲劳裂纹检测研究

研究裂纹的形成和扩展规律是钢结构疲劳断裂的一个重要课题。该文讨论了一种十分经济有效的检测钢结构疲劳裂纹萌生与扩展的方法,即Beach Marking方法。首先简要总结了该方法的发展历史和研究现状,并系统归纳了其基本原理和关键问题。同时,通过焊接H型钢梁的试验案例,探索该方法应用在大尺寸构件上的实际效果,并具体展示该方法的设计步骤和应用过程。试验表明,Beach Marking方法简单实用,关键在于设计合理的疲劳荷载序列;通过分析疲劳断口上留下的疲劳弧线,并结合断裂力学理论,可以获得疲劳裂纹的扩展规律和参数,为钢结构疲劳寿命数值分析提供科学依据。     

钢箱梁桥焊接细节的疲劳断裂可靠性分析

联合线弹性断裂力学和长期监测数据提出了大跨桥梁焊接细节疲劳可靠度评估方法, 并以润扬大桥钢箱梁的焊接细节为对象开展了应用研究。首先, 采用长期监测数据建立了疲劳荷载效应的概率模型;其次, 推导了焊接细节疲劳断裂抗力的表达式, 分析了初始裂纹深度和极限裂纹深度对断裂抗力的影响规律, 采用随机数值模拟的方法得到了断裂抗力的概率模型;最后研究了交通荷载增长条件下焊接细节疲劳可靠度的时变规律。研究表明:断裂抗力服从对数正态分布, 且对初始裂纹深度极为敏感;当考虑交通荷载增长, 桥梁的服役期还未满设计基准期时, 焊接细节的可靠度就将低于目标可靠度水平。     

管节点表面裂纹疲劳扩展的数值模拟

本文采用线弹簧单元与ＡＤＩＮＡ程序结合计算了表面裂纹在交变载荷作用下的应力强度因子，首次提出了预埋线弹簧单元法模拟表面裂纹疲劳扩展，并发展了相应的技术和软件。     

WNQ570桥梁钢及其对接焊缝疲劳裂纹扩展性能试验研究

对WNQ570桥梁钢及其对接焊缝进行了疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹扩展门槛值测定试验,采用两种不同数据拟合方法分别得到具有95%保证率的疲劳裂纹扩展参数。结果表明：本批次的WNQ570钢材具有良好的疲劳裂纹扩展性能,其中对接焊缝疲劳裂纹扩展速率高于母材;在应力强度因子幅值处于10 MPa·m^1/2～70 MPa·m^1/2的常规区间时,基于单试件数据点的处理结果对应的裂纹扩展速率明显高于基于成组数据点的处理结果;WNQ570的疲劳裂纹扩展速率随应力比增加而增加,疲劳裂纹扩展门槛值随应力比增加而降低。