不同參數(shù)組合下縱肋頂板焊趾處裂紋擴展變化規(guī)律分析

吳曉東， 朱金柱

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 431400；3.交通運輸行業(yè)交通基礎設施智能制造研發(fā)中心，湖北 武漢 431400；4.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 431400)

0 引 言

正交異性鋼橋面板由于承載能力強、跨徑大、施工速度快等優(yōu)點，在大跨徑橋梁和城市道路橋梁中應用較為廣泛。然而，由于其結(jié)構(gòu)復雜并承受復雜的應力，并且焊接初始缺陷不可避免，在焊縫處極易產(chǎn)生疲勞裂紋[1-3]。疲勞裂紋初始形成時極難被發(fā)現(xiàn)，均是在發(fā)展到一定長度后才被檢測出來，此時裂紋擴展已經(jīng)對結(jié)構(gòu)剛度和安全產(chǎn)生了一定的影響，因此疲勞開裂嚴重影響結(jié)構(gòu)的安全運營[4]。在已發(fā)現(xiàn)的疲勞易損細節(jié)中，縱肋頂板焊接細節(jié)疲勞開裂比例較大，并且危害也最為嚴重[5]。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，80%～90%的鋼橋破壞與疲勞密切相關(guān)，疲勞已成為鋼橋結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一[6]。為了尋找不同參數(shù)組合下縱肋頂板焊趾處裂紋擴展變化規(guī)律，本文建立了包含不同參數(shù)的有限元模型，提取焊趾處裂紋擴展長度和擴展深度，對比了不同參數(shù)組合下裂紋擴展的變化規(guī)律。

1 試驗簡介

根據(jù)文獻[7]中試驗模型，建立了與之對應的有限元模型。試件頂板通過高強螺栓固定于試驗工裝上。試件主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：頂板厚度為14 mm或16 mm，U肋腹板厚度為8 mm，縱肋腹板與頂板夾角為78°，熔透率取80%和100%兩種。加載面積為100 mm×160 mm。試件所施加荷載通過離焊趾5 mm處測點的應力進行控制，本文所施加荷載大小分為55 MPa、80 MPa和100 MPa三種。

2 有限元模型建立及模型驗證

2.1 有限元模型的建立

本文通用有限元軟件建立試件有限元模型，取距焊縫中心處各6 cm焊縫長度作為子模型來模擬裂紋擴展。鋼材彈性模量為2.0×105MPa，泊松比為0.3。有限元模型及子模型如圖1所示。

圖1 全熔透全局模型及子模型

2.2 模型有效性驗證

根據(jù)斷裂力學[8-10]相關(guān)理論知識，可以得到裂紋擴展疲勞壽命與裂紋擴展長度之間的關(guān)系，通過與文章中實測結(jié)果對比，可以看出，理論結(jié)果能夠和實測結(jié)果較好地吻合。對比結(jié)果如圖2所示。

圖2 有限元與實測結(jié)果對比圖

3 計算結(jié)果對比

3.1 計算結(jié)果提取

基于已建立的有限元模型，設定裂紋初始尺寸及擴展步長，從結(jié)果文件中提取關(guān)注位置的裂紋擴展長度和裂紋擴展深度。為方便對比，裂紋擴展深度處理為無量綱的百分比形式。不同參數(shù)下的對比結(jié)果如下所述。

3.2 計算結(jié)果對比

不同荷載幅值作用下裂紋擴展規(guī)律如圖3所示。

由圖3可知，當熔透率和頂板厚度相同時，改變荷載幅值的大小，裂紋擴展規(guī)律變化曲線基本重合，因此裂紋擴展規(guī)律的變化不受荷載幅值大小的影響。

圖3 不同荷載幅值作用下的裂紋擴展規(guī)律對比

不同熔透率裂紋變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同熔透率裂紋擴展規(guī)律對比

由圖4可知，不同熔透率時裂紋擴展規(guī)律基本相同，因此熔透率對裂紋擴展規(guī)律的變化也不產(chǎn)生影響。

通過以上結(jié)果可知，荷載幅值大小和熔透率的不同不會對裂紋擴展規(guī)律產(chǎn)生影響，而采用不同頂板厚度時裂紋擴展是否也具有同樣的規(guī)律則需要做進一步的驗證。

不同頂板厚度時關(guān)鍵測點應力變化如圖5所示。

圖5 不同頂板厚度裂紋擴展規(guī)律對比

由圖5可知，頂板厚度的不同會對裂紋擴展規(guī)律造成一定的影響，相同裂紋擴展深度時，16 mm頂板厚度對應模型裂紋長度更大，即相同裂紋擴展長度時，16 mm頂板厚度對應模型裂紋擴展深度更小。但同一裂紋擴展深度對應的裂紋長度差別或者同一裂紋長度對應的裂紋擴展深度差別較小，僅在1%左右。

3.3 提取代表曲線

由上述分析可知，施加荷載幅值和熔透率的不同對裂紋擴展規(guī)律幾乎無影響，而頂板厚度的不同對裂紋擴展規(guī)律的影響十分有限，僅為1%左右，因此可用其中一個參數(shù)組合的裂紋擴展規(guī)律曲線作為代表性的裂紋擴展規(guī)律。此處取熔透率為80%、荷載幅值為80 MPa、頂板厚度為14 mm的曲線作為代表曲線，如圖6所示。

圖6 裂紋擴展規(guī)律代表曲線

4 結(jié) 論

(1) 通過數(shù)據(jù)對比，有限元模型能夠較為準確地模擬實驗模型。

(2) 模型施加荷載幅值和熔透率的不同對裂紋擴展規(guī)律基本無影響。

(3) 頂板厚度對裂紋擴展規(guī)律會產(chǎn)生一定的影響，但因頂板厚度的不同所產(chǎn)生的差別較小，僅為1%左右。

(4) 根據(jù)不同參數(shù)組合對裂紋擴展規(guī)律的分析結(jié)果，得到了縱肋頂板焊趾處裂紋擴展規(guī)律的代表性曲線。