在役钢桥面板纵肋与顶板焊根疲劳裂纹内焊加固方法

为实现纵肋与顶板焊根疲劳裂纹的有效加固,提出了能够满足在役钢桥面板加固需求的内焊加固方法,研发了自动化焊接机器人和相关关键装备;设计了4个试验模型对方法和装备的有效性和适用性进行研究,验证了纵肋与顶板焊根产生疲劳裂纹的开裂模式;使用所研发的专用焊接设备在纵肋内部进行焊接加固,进行了加固结构的疲劳破坏试验;对比了试验结果与有限元模拟结果,分析了加固后结构的疲劳性能,验证了内焊加固方法的有效性。研究结果表明：内焊加固方法能够将既有的焊根裂纹转化为内部缺陷,研发的装备能够实现原位加固,有效抑制疲劳裂纹的扩展,使已开裂焊接细节的疲劳寿命提高了66%～157%;由于各开裂模式具有不同程度疲劳损伤累积,加固后焊接细节会发生主导开裂模式迁移;对于包含多开裂模式的焊接细节,加固后的剩余疲劳寿命与各开裂模式的实际疲劳损伤累积程度以及加固方法对各开裂模式受力特性的扰动程度两方面的因素密切相关。     

基于ANSYS的钢桥面板横隔板处纵肋与顶板焊接细节疲劳应力分析

为研究钢桥面板横隔板处纵肋与顶板焊接细节疲劳性能,基于ANSYS有限元软件,采用热点应力法,建立了2跨5U肋疲劳节段有限元分析模型。研究结果表明:得到了疲劳单车模型三种加载工况下的横隔板处纵肋与顶板焊接细节纵向热点应力历程曲线,U肋正上方加载工况为控制工况,其应力幅值为81. 4MPa,轮载位于横隔板正上方时疲劳应力达到峰值,在进行钢桥面板结构设计时,应尽可能将轮迹线布置在U肋之间,以避免疲劳开裂。     

横隔板弧形缺口疲劳性能试验研究

为研究正交异性钢桥面板横隔板弧形缺口易损细节的受力特性和疲劳性能,根据某钢箱梁尺寸制作了单U肋足尺模型,进行了120 kN荷载幅的疲劳试验,并分别采用热点应力法和名义应力法评估了弧形缺口焊接细节及非焊接细节的疲劳寿命.试验结果表明,足尺模型两个弧形缺口焊缝端部位于U肋腹板上的焊趾处分别在经历31.7万次和58.3万次的加载后出现裂纹,焊接质量是两处细节疲劳性能差异显著的原因;100万次加载后未见其他新裂纹出现.基于IIW推荐的FAT90级和F100级两条热点应力S-N曲线对焊缝端部细节进行寿命评估时,位于U肋腹板上细节的疲劳寿命分别是35.2万次和48.8万次,位于横隔板母材上细节的疲劳寿命分别是161.9万次和224.0万次;基于Eurocode 3中的71级名义应力S-N曲线评估的弧形缺口自由边细节的疲劳寿命是302.2万次.研究结果表明,弧形缺口焊缝端部位于U肋腹板上细节最易出现疲劳裂纹,实际工程中应重点关注;推荐采用IIW中的FAT90级热点应力S-N曲线对该细节疲劳寿命进行评估.     

正交异性钢桥面板横隔板弧形切口疲劳性能

为了揭示正交异性钢桥面板弧形切口母材的开裂机理, 采用有限元程序ANSYS建立钢箱梁节段模型与钢桥面板单元子模型, 为确保计算的精确性, 进行了网格无关性检查, 分析了弧形切口疲劳细节在移动轮载作用下的应力响应特征, 分别采用热点应力法与名义应力法评估了弧形切口细节的疲劳性能, 并研究了横隔板厚度与切口形状对构造细节应力的影响。研究结果表明: 弧形切口细节应力影响线长度在纵桥向为横隔板间距的2倍, 因而可用疲劳车的中轴组单独加载, 根据AASHTO LRFD, 1辆5轴疲劳车会在该构造细节上产生2或3个应力循环; 弧形切口在纵、横桥向的最不利荷载位置分别为轮载中心作用于纵肋腹板与面板交界处和中轴前轮作用于距横隔板0.3m处; 弧形切口边缘应力集中点的应力方向与水平面的倾角为67.2°; 疲劳评估结果与名义应力提取位置密切相关, 可采用热点应力法并基于FAT125的疲劳寿命曲线进行弧形切口的疲劳评价, 也可根据疲劳等效原则提取距切口边缘5mm处的应力, 并基于名义应力法开展疲劳评价; 建议采用Eurocode 3中圆弧半径较大的公路桥梁切口形状, 其热点应力与研究的切口形状相比降低了12.4%, 且当横隔板厚度不小于12mm时, 弧形切口细节的应力幅小于截止应力幅, 为无限疲劳寿命; 横隔板弧形切口的开裂与切口形状不佳、横隔板厚度偏小、制造工艺不完善以及货车通行量大等因素密切相关。      

基于Fe-SMA的钢桥面板疲劳裂纹装配式主动加固方法

为实现对钢桥面板的快速加固,提出了基于铁基形状记忆合金(Fe-SMA)的钢桥面板疲劳裂纹新型装配式主动加固的方法;通过精细化双面加固有限元模型计算结果及对初步激活与加载试验的观察,验证了加固系统安全性与可靠性;在此基础上以U肋对接焊缝的疲劳裂纹为研究对象,根据线弹性断裂力学,结合该疲劳细节受力与开裂特征,采用循环荷载作用下表面裂纹和中裂纹尖端的Ⅰ型裂纹应力强度因子幅值对加固系统的加固效果进行评价,确定了针对不同长度裂纹的具体加固方案。研究结果表明:基于Fe-SMA的钢桥面板疲劳裂纹主动加固方法可将裂纹尖端应力强因子幅值降低至扩展阈值以下,能有效遏制疲劳裂纹的进一步扩展;对于长度在50 mm以下的未贯穿型疲劳裂纹可采用宽度为60 mm的Fe-SMA进行加固,裂纹前缘关注点应力强度因子降幅达90%以上;当贯穿型疲劳裂纹长度为50~120 mm时,可采用宽度为120 mm的Fe-SMA进行加固;当疲劳裂纹长度为120~350 mm时,需采用底板、腹板同时加固的方法来对疲劳裂纹进行加固,均能达到理想的止裂状态。      

斜拉桥钢桥面板顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群数字疲劳试验

为研究多场耦合作用下斜拉桥钢桥面板疲劳裂纹的扩展机理，建立了跨尺度斜拉桥全桥数字疲劳试验模型；通过模拟顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处多道焊缝的焊接全过程，将焊接残余应力引入数字疲劳试验模型中；基于扩展有限元法，在多场耦合作用下对顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处典型疲劳裂纹进行扩展机理的数字断裂参数分析与扩展行为的数字疲劳试验。研究结果表明:在顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处存在较大的残余拉应力，其最大值接近钢材的屈服强度，焊接残余应力对钢桥面板疲劳性能的影响不可忽略；后续焊缝会影响已有焊缝区域的应力场分布，在分析计算多道焊缝影响区域的焊接残余应力场时，需模拟多道焊缝的焊接全过程；在恒载应力场、活载应力场和焊接残余应力场的多场耦合作用下，按复合型裂纹扩展的工程准则，顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处4种典型疲劳裂纹的最大等效应力强度因子幅均大于疲劳裂纹扩展阈值，均将在疲劳循环荷载作用下发生疲劳扩展；在多场耦合作用下，过焊孔上方顶板-U肋连接焊缝的顶板侧焊趾处疲劳裂纹和U肋侧焊趾处疲劳裂纹均为以Ⅰ型裂纹为主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹，Ⅱ型和Ⅲ型裂纹的影响不容忽略；过焊孔上方顶板-U肋连接焊缝的顶板侧焊根处疲劳裂纹和横隔板过焊孔边缘处疲劳裂纹均为Ⅰ型裂纹；建立的多场耦合作用下多尺度数字疲劳试验可为运营阶段大跨度桥梁钢桥面板疲劳裂纹的扩展提供分析与模拟方法。      

基于声发射技术的钢桥面板疲劳损伤监测与评估

采用多种监测技术融合手段, 对正交异性钢桥面板开展了疲劳损伤监测与评估, 包括足尺正交异性钢桥面板节段模型疲劳试验与某公路斜拉桥正交异性钢桥面板运营阶段的疲劳损伤监测; 在正交异性钢桥面板疲劳试验中, 综合采用了美国物理声学(PAC)声发射(AE)传感器、智能锆钛酸铅压电漆(PZT)传感器和应变片进行了粘贴钢板冷加固前后的疲劳裂纹监测; 对处于运营阶段的斜拉桥钢桥面板疲劳开裂区域, 采用了粘贴角钢的冷加固方法进行加固, 并对加固前后的桥梁结构开展了AE监测和应变监测以研究疲劳裂纹状态与检验冷加固方法的效果。疲劳试验与监测结果表明: PAC的AE传感器和智能PZT传感器能有效捕捉具有突发峰值与快速衰减特征的疲劳扩展信号, 二者的协同应用实现了疲劳裂纹智能感知, PAC的AE传感器组能实时捕捉纵肋上的疲劳裂纹扩展长度和方向; 粘贴钢板冷加固后, 应力水平稳定在64.8 MPa, 直到继续循环加载至512万次仍无疲劳裂纹扩展, 验证了正交异性钢桥面板粘贴钢板疲劳冷加固措施的良好加固效果; 在疲劳试验过程中, PAC的AE传感器和智能PZT传感器监测疲劳裂纹扩展结果一致性良好, 与应变片相比可实时捕捉更丰富的疲劳裂纹动态信息。对运营阶段正交异性钢桥面板疲劳监测与评估结果表明: 加固前AE监测结果峰值能量是加固后峰值能量的5倍, AE累积信号由加固前的密集分布改变为加固后的稀散分布, 表明加固后的钢桥面板疲劳裂纹处于稳定状态; 随着加载车辆行驶通过, 冷加固后的疲劳裂纹尖端应力峰值降低40%至50%;对比加固前后的24 h疲劳应力连续监测结果, 疲劳细节附近应变片的应变水平从加固前的78 MPa下降至加固后的48 MPa; AE信号峰值能量、AE累积信号和应力水平的监测结果均证明了冷加固技术对正交异性钢桥面板疲劳开裂加固的有效性。      

基于断裂力学的钢桥面肋-板接头疲劳寿命预测

为研究反复荷载作用下正交异性钢桥面中U型肋与桥面板焊接接头的疲劳性能,基于断裂力学基本理论,利用有限元方法,进行了肋-板接头的疲劳寿命评估.根据正交异性钢桥面与U型肋连接构造基本形式,利用有限元软件ANSYS建立了包含3个U型肋的正交异性钢桥面平面有限元模型;考虑肋-板连接位置处焊接细节的4种典型裂纹,计算了2个加载工况下各裂纹处等效应力强度因子,并分析了初始裂纹长度、桥面板厚度、U型肋高度和U型肋厚度对等效应力强度因子的影响规律;依据Eurocode 3规范中正交异性钢桥面肋-板接头加载模式,采用桥面板与U型肋连接构造二维有限元模型,计算得到典型裂纹的等效应力强度因子,建立了基于断裂力学疲劳扩展模型为基础的正交异性钢桥面肋-板接头的疲劳寿命预测方法.研究结果表明:基于线弹性断裂力学原理计算得到的疲劳寿命均大于Eurocode 3规范计算值,桥面板厚度选用16~18 mm及将初始裂纹长度控制在0.1 mm以下可有效地提高板-肋接头疲劳寿命.     

正交异性钢桥面板横隔板弧形切口疲劳评价的热点应力法

借助有限元分析和随机车流下构造细节应力现场监测数据获取了某正交异性钢桥面板横隔板弧形切口疲劳细节一定宽度范围内的应力时程, 分析了应力峰值分布; 基于国际焊接学会和挪威船级社推荐的热点应力外插公式评价了横隔板弧形切口疲劳寿命, 研究了适用于横隔板弧形切口热点应力的外插公式。研究结果表明: 在桥面车辆通行下, 横隔板弧形切口响应为压应力, 且应力峰值大; 横隔板弧形切口不仅产生了显著的应力集中, 且应力沿构造细节最小净截面一定范围呈显著的非线性分布; 因应力插值点位于横隔板弧形切口应力分布的非线性区, 采用国际焊接学会和挪威船级社提出的热点应力插值公式得到的热点应力偏大, 评价的疲劳寿命均偏保守; 提出的两点线性外插公式和三点二次外插公式的应力插值点均位于构造细节应力的线性分布区, 且第1个插值点均距横隔板弧形切口自由边1倍横隔板厚度, 依此方法评价的横隔板弧形切口疲劳寿命与实桥该构造细节的开裂寿命较为一致。正交异性钢桥面板横隔板弧形切口的疲劳性能评价若基于热点应力法开展, 可采用疲劳等级FAT90和建议的三点二次外插公式。      

开口肋正交异性钢桥面疲劳设计参数研究

为评估重庆两江大桥单索面斜拉桥正交异性钢桥面板疲劳设计参数的合理性,对由盖板、板肋和横隔板组成的箱形正交异性钢桥面板模型进行了疲劳试验和有限元分析.基于应力等效方法,对桥面板、横隔板与纵肋三向交叉部位,进行了竖向和横向双向加载试验、等效实桥疲劳应力幅值2 000万次作用疲劳试验,在此基础上,分析了3种开孔方式、构造细节、横隔板厚度及铺装层厚度等因素对疲劳性能的影响.研究结果表明:横隔板厚度和铺装层厚度对疲劳性能的影响很大;与钥匙形和圆形相比,苹果形开孔结构的主拉应力最小,为13.7 MPa,疲劳性能最优.建议开口肋正交异性板构造横隔板厚度大于16 mm,并采用苹果形开孔方式.     

钢桥面板与纵肋焊缝疲劳评估及裂纹扩展研究

为研究正交异性钢桥面板纵肋与顶板连接焊缝的裂纹扩展特性并建立相应的疲劳寿命评估方法,考虑裂纹扩展模拟方法以及材料特性等因素对于裂纹扩展过程与疲劳寿命预测的影响,以某长江公路大桥重载交通钢桥面板为研究对象,进行了疲劳模型试验和理论研究. 综合运用疲劳试验与断裂力学数值模拟研究起始于焊根位置裂纹的疲劳寿命评估问题,探明了疲劳裂纹的扩展特性. 研究结果表明:基于常幅疲劳加载的寿命预测结果与试验实测值间的相对误差小于10%,且预测结果偏于安全;裂纹扩展路径及裂纹面空间形态等扩展特性与疲劳试验相吻合;裂纹扩展模拟方法、扩展角计算准则、材料特性和初始裂纹深度是疲劳寿命预测的关键影响因素;起始于焊根的疲劳裂纹属于Ⅰ型主导的复合型裂纹,疲劳寿命评估应考虑Ⅱ型与Ⅲ型裂纹的影响;裂纹面呈现出典型的空间曲面特征,其深度与长度之比介于0.20～0.63之间,最大扩展角为12.7°;疲劳寿命评估结果对于初始裂纹深度取值较为敏感,应结合工程实际确定合理取值.      

EQ1170KA客车底盘焊接接头疲劳裂纹扩展速率的研究

本文研究了EQ1170KA客车底盘焊接接头疲劳裂纹扩展速率的规律,结果表明:焊接接头不同部位的疲劳裂纹扩展速率各不相同,焊接残余应力和金相组织对疲劳裂纹扩展速率都有一定的影响。     

铝合金熔焊气孔与裂纹交互作用模拟

为研究铝合金熔焊接头中裂纹与气孔交互作用对接头疲劳行为的影响,基于杂交多边形有限单元法（hybrid polygonal element,HPE）,构造了单独含椭圆洞和裂纹的多边形单元格式,建立了同时含裂纹和气孔的激光-电弧复合焊接铝合金接头的平面应力模型,研究了气孔的分布对焊根裂纹尖端场的影响.研究结果表明:在较为稀疏的网格模型下,HPE法数值解误差可控制在0.5%以内;焊缝下部的小气孔使得裂纹尖端标准化Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子分别增大2.15%和324%,增强效应明显,并且气孔与裂纹间距离越近,两者耦合作用愈强.      

预应力CFRP板加固钢板受拉疲劳性能试验研究

为较好地预测预应力碳纤维材料(CFRP)板加固钢结构的疲劳性能,采用考虑有效应力强度因子幅的Pairs公式,分析了粘贴预应力CFRP板加固钢板的疲劳裂纹扩展行为.通过粘贴CFRP板的含中心孔的预制裂纹钢板的疲劳试验,分析了应力比、CFRP板刚度、预应力及粘结胶性能等因素对疲劳裂纹扩展的影响.试验结果表明:加固后结构的疲劳寿命提高16倍以上,疲劳寿命的理论分析结果偏于保守;预应力是疲劳寿命的主要影响因素,而CFRP板和粘结胶性能的影响有限;应力比埘疲劳寿命的影响很大,因此,对交通荷载的正确预估是加固能否取得成功的基础.     

组合梁斜拉桥索梁锚固区桥面板斜向开裂机理与配筋设计方法

为揭示组合梁斜拉桥在悬拼施工时,索梁锚固区斜向裂缝的开裂机理,从实际受力状态出发,分析了该区域桥面板剪应力和正应力的分布特点,并结合应力莫尔圆理论给出了裂缝成因及其形态特征;基于相关规范及桁架模型,提出了斜向配筋和L形配筋设计的抗裂措施;通过台州湾跨海大桥实例分析,验证了锚固区桥面板的应力分布特点与配筋方法的有效性。研究结果表明:悬拼施工时,锚固区桥面板的面内剪应力主要由拉索索力的竖向分力和水平分力提供,纵、横桥向正应力主要由吊重荷载引起的斜拉桥整体弯矩、拉索索力增加引起的局部负弯矩和局部承压提供;纵桥向正应力的增加是引起索梁锚固区主拉应力变大的主要原因,当主拉应力大于混凝土抗拉强度时,桥面板存在较大的斜向开裂风险;考虑到局部承压的作用,裂缝一般首先出现在索梁锚固点附近的桥面板顶部;当逐渐远离锚固区时,局部负弯矩及局部承压影响减小,桥面板顶板正应力减小,主拉应力减小,裂缝的发展方向与纵桥向夹角逐渐减小,同时,桥面板底板正应力由压应力变成拉应力,主拉应力增大,裂缝产生贯通的可能性增大;基于混凝土板斜向开裂的桁架模型,对索梁锚固区配置L形抗裂钢筋,顶板最大主拉应力降低了1.26 MPa,其中,纵桥向正应力最大可减小0.91 MPa,面内剪应力可减小0.50 MPa,即配置抗裂钢筋能够达到一定的抗弯和抗剪的效果。      

钢轨踏面疲劳裂纹扩展行为分析

根据试验观察的裂纹尖端特征,建立了钝形疲劳裂纹模型,以裂纹尖端位移为断裂参量,分析了U75V钢弹塑性情况下踏面疲劳裂纹扩展特性。结果显示：踏面疲劳裂纹尖端有较大的塑性区,应采用弹塑性断裂力学理论分析踏面疲劳裂纹的扩展行为;裂纹尖端滑动位移受轮轨力、轮轨摩擦系数和裂纹面摩擦系数影响,其中裂纹面摩擦系数对裂纹尖端滑动位移影响最大。裂纹尖端张开位移主要受轮轨力和轮轨摩擦系数影响。利用塑性复合系数分析踏面疲劳裂纹扩展特性,认为踏面疲劳裂纹主要以Ⅰ／Ⅱ复合型扩展方式扩展。     

13CrMo44钢及焊缝金属的疲劳裂纹扩展速率

本文根据美国ASTM F647-81标准,采用紧凑拉伸试样,对13CrMo44钢及用P5(E309Mo)焊条的手弧对接焊缝金属的疲劳裂纹扩展速率进行了测定.试验采用表面直读法测量裂纹长度、并采用抛物线回归法对大量试验数据进行微机处理.基于Paris公式,得到了13CrMo44钢和焊缝金属的裂纹扩展速率的表达式.