不同參數(shù)組合下縱肋頂板細(xì)節(jié)疲勞開裂時(shí)焊趾關(guān)鍵測點(diǎn)應(yīng)力變化分析

吳曉東

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

正交異性鋼橋面板由于其自重輕、極限承載能力大、易于裝配化施工等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外公路和鐵路橋梁中得到廣泛的應(yīng)用。然而，該類結(jié)構(gòu)在有著眾多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，焊縫較多，應(yīng)力集中問題突出，并且局部承受汽車輪載反復(fù)作用，疲勞開裂問題十分普遍。疲勞開裂一旦出現(xiàn)，其修復(fù)一般需要中斷交通并且費(fèi)用高昂，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的使用性能和運(yùn)營與服役質(zhì)量[1]。在正交異性鋼橋面板的眾多疲勞易損部位中，縱肋頂板焊縫開裂所占比例較大，所造成的危害也最嚴(yán)重[2]。根據(jù)美國土木工程學(xué)會(huì)疲勞與斷裂分委會(huì)的調(diào)查結(jié)果，80 %～90 %的鋼橋破壞與疲勞有關(guān)，疲勞已成為鋼橋結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一[3]。為了理清不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下此焊接處焊趾附近應(yīng)力下降規(guī)律，本文擬建立不同熔透率及不同頂板厚度有限元模型，提取離焊趾5mm處應(yīng)力，對比不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下關(guān)鍵測點(diǎn)應(yīng)力隨裂紋擴(kuò)展過程的變化。

1 試驗(yàn)介紹

本文擬根據(jù)文獻(xiàn)[4]中試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⑾鄳?yīng)的有限元模型。試件的頂板的一部分通過高強(qiáng)螺栓將試件固定于試驗(yàn)工裝上。試件主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：頂板厚度為14mm或16mm，U肋腹板厚度8mm，縱肋腹板與頂板夾角為78 °，熔透率取80 %部分熔透和100 %完全熔透兩種。疲勞試驗(yàn)過程中通過振動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，加載面積為100mm×160mm。試件所施加荷載通過離焊趾5mm測點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行控制，本文所施加荷載為100MPa。

2 有限元模型建立及模型驗(yàn)證

2.1 有限元模型的建立

本文采用通用有限元軟件ANSYS[7]建立試件有限元模型，試件所有結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元Solid45[8]進(jìn)行模擬，并在裂紋擴(kuò)展區(qū)域?qū)W(wǎng)格劃分進(jìn)行細(xì)化，取距結(jié)構(gòu)中心各6cm焊縫長度作為子模型，利用ANSYS內(nèi)嵌cint命令實(shí)現(xiàn)子模型中裂紋擴(kuò)展。鋼材彈性模量取2.0×105MPa，泊松比取為0.3。所建立的試件有限元模型及子模型選取如圖1所示。

(a)全局模型

(b)所選子模型圖1 全熔透全局模型及子模型

2.2 模型有效性驗(yàn)證

由裂紋擴(kuò)展情況與斷裂力學(xué)[5-6]相關(guān)理論知識(shí)，可以得到裂紋擴(kuò)展疲勞壽命與裂紋擴(kuò)展長度之間的關(guān)系，通過與文章中所列實(shí)測結(jié)果對比，可以看出，有限元模型能夠與實(shí)測結(jié)果較好地吻合，從而證明此有限元模型可以用于后續(xù)內(nèi)容的展開。對比結(jié)果如圖2所示。

圖2 有限元模型與實(shí)測結(jié)果對比

3 計(jì)算結(jié)果對比

3.1 計(jì)算結(jié)果提取

有限元模型建立之后，設(shè)定裂紋初始尺寸及擴(kuò)展步長后，應(yīng)用ANSYS中Cint命令實(shí)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展，并從結(jié)果文件中提取關(guān)注點(diǎn)橫向應(yīng)力大小和中裂紋擴(kuò)展深度。為了方便對比，裂紋擴(kuò)展深度及關(guān)注點(diǎn)應(yīng)力變化均處理為無量綱的百分比形式?，F(xiàn)將不同參數(shù)下的對比結(jié)果列出。

3.2 結(jié)算結(jié)果對比

相同熔透率不同頂板厚度下關(guān)注點(diǎn)應(yīng)力變化如圖3所示。

(a)全熔透時(shí)不同板厚曲線對比

(b)80%熔透時(shí)不同板厚曲線對比圖3 相同熔透不同板厚應(yīng)力變化曲線

通過以上兩圖中的對比可以發(fā)現(xiàn)，不管是在哪種熔透率的情況下，當(dāng)頂板厚度取為14mm時(shí)應(yīng)力下降水平均較相同情況下取16mm時(shí)頂板厚度時(shí)要快。

兩種板厚下取不同熔透率時(shí)關(guān)注點(diǎn)應(yīng)力下降變化如圖4所示。

(a)14mm板厚時(shí)不同熔透率曲線對比

(b)16mm板厚時(shí)不同熔透率曲線對比圖4 兩種板厚取不同熔透率應(yīng)力變化曲線

通過以上兩圖中曲線變化對比可以發(fā)現(xiàn)，在取相同的頂板厚度時(shí)，不同的熔透率對曲線的變化基本沒有影響，也就是說，熔透率對應(yīng)力下降隨裂紋擴(kuò)展深度的變化規(guī)律沒有影響。

4 結(jié)論

(1)通過驗(yàn)證，所建有限元模型能夠較為準(zhǔn)確地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力情況，因此可以用于進(jìn)行后續(xù)內(nèi)容的展開。

(2)通過不同結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的對比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)所取結(jié)構(gòu)取相同的熔透率時(shí)，不同頂板厚度下，曲線變化呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，但是變化程度有所不同，在取較大的頂板厚度時(shí)關(guān)注測點(diǎn)應(yīng)力下降水平相對較慢；而當(dāng)取相同的頂板厚度時(shí)，不管選用哪種熔透率，曲線變化基本相同，也就是說熔透率對關(guān)注測點(diǎn)應(yīng)力變化隨裂紋長度的變化規(guī)律幾乎沒有影響。

(3)通過以上曲線的綜合對比，增加頂板厚度能夠有效增加結(jié)構(gòu)剛度，減緩裂紋的擴(kuò)展過程。