不同參數(shù)組合下縱肋頂板焊趾處裂紋擴(kuò)展變化規(guī)律分析

吳曉東， 朱金柱

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 431400；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)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(shè)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(qiáng)、跨徑大、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，在大跨徑橋梁和城市道路橋梁中應(yīng)用較為廣泛。然而，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜并承受復(fù)雜的應(yīng)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(shí)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(shí)裂紋擴(kuò)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(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營[4]。在已發(fā)現(xiàn)的疲勞易損細(xì)節(jié)中，縱肋頂板焊接細(xì)節(jié)疲勞開裂比例較大，并且危害也最為嚴(yán)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(kuò)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(kuò)展長度和擴(kuò)展深度，對比了不同參數(shù)組合下裂紋擴(kuò)展的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)簡介

根據(jù)文獻(xiàn)[7]中試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，建立了與之對應(yīng)的有限元模型。試件頂板通過高強(qiáng)螺栓固定于試驗(yàn)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(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)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(yàn)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(kuò)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(yàn)證

根據(jù)斷裂力學(xué)[8-10]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，通過與文章中實(shí)測結(jié)果對比，可以看出，理論結(jié)果能夠和實(shí)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(shí)測結(jié)果對比圖

3 計(jì)算結(jié)果對比

3.1 計(jì)算結(jié)果提取

基于已建立的有限元模型，設(shè)定裂紋初始尺寸及擴(kuò)展步長，從結(jié)果文件中提取關(guān)注位置的裂紋擴(kuò)展長度和裂紋擴(kuò)展深度。為方便對比，裂紋擴(kuò)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(jì)算結(jié)果對比

不同荷載幅值作用下裂紋擴(kuò)展規(guī)律如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)熔透率和頂板厚度相同時(shí)，改變荷載幅值的大小，裂紋擴(kuò)展規(guī)律變化曲線基本重合，因此裂紋擴(kuò)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(kuò)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(kuò)展規(guī)律對比

由圖4可知，不同熔透率時(shí)裂紋擴(kuò)展規(guī)律基本相同，因此熔透率對裂紋擴(kuò)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(huì)對裂紋擴(kuò)展規(guī)律產(chǎn)生影響，而采用不同頂板厚度時(shí)裂紋擴(kuò)展是否也具有同樣的規(guī)律則需要做進(jìn)一步的驗(yàn)證。

不同頂板厚度時(shí)關(guān)鍵測點(diǎn)應(yīng)力變化如圖5所示。

圖5 不同頂板厚度裂紋擴(kuò)展規(guī)律對比

由圖5可知，頂板厚度的不同會(huì)對裂紋擴(kuò)展規(guī)律造成一定的影響，相同裂紋擴(kuò)展深度時(shí)，16 mm頂板厚度對應(yīng)模型裂紋長度更大，即相同裂紋擴(kuò)展長度時(shí)，16 mm頂板厚度對應(yīng)模型裂紋擴(kuò)展深度更小。但同一裂紋擴(kuò)展深度對應(yīng)的裂紋長度差別或者同一裂紋長度對應(yīng)的裂紋擴(kuò)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(kuò)展規(guī)律幾乎無影響，而頂板厚度的不同對裂紋擴(kuò)展規(guī)律的影響十分有限，僅為1%左右，因此可用其中一個(gè)參數(shù)組合的裂紋擴(kuò)展規(guī)律曲線作為代表性的裂紋擴(kuò)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(kuò)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(zhǔn)確地模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

(2) 模型施加荷載幅值和熔透率的不同對裂紋擴(kuò)展規(guī)律基本無影響。

(3) 頂板厚度對裂紋擴(kuò)展規(guī)律會(huì)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(kuò)展規(guī)律的分析結(jié)果，得到了縱肋頂板焊趾處裂紋擴(kuò)展規(guī)律的代表性曲線。