鋼橋面板疲勞裂紋全壽命周期擴展特性

中圖分類號：U448.3 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-6717（2025）03-0180-10

Fatigue crack life cycle growth characteristics of steel bridge deck

LU Naiwei CUI Jian LUO Yuan WANG Honghao （1. School of Civil Engineering，Changsha Universityof Scienceamp; Technology，Changsha 41Ol14，P.R.China; 2.College of Civil Engineering，Hunan Universityof Technology，Zhuzhou 4l2Oo7，Hunan，P.R.China）

Abstract：The initial welding defect is the key factor that affects thefatigue performanceofthe structural details of the orthotropic steel bridge deck.In order to study the whole life cycle dynamic characteristics of crack initiation and propagation of the joint weld between the top plate and the longitudinal ribof theorthotropic steel bridge deck，based on the fracture mechanics theory and ABAQUS-FRANC3D interactive technology，the dynamiccharacteristics of the stress intensity factor in the whole process from the weld buried defect to the fatigue fracture were studied，the crack shape development law was revealed，and the influence of sensitive parameters on the crack growth rate and fatigue life wasanalyzed，the ful-life propagation behaviour of fatigue crack is clarified，and thereliabilityof theresearch results is verified bythe full-scale segmental fatigue testof steel bridge deck.The analysis results show that the fatigue crack growth behavior of steel bridge deck can be divided into three stages：burial stage，initiation stage，and propagation stage.The distribution of stress intensity factors in the buried initiation stage and the propagation stage along diferent crack paths are exactly opposite;buried cracks of any initial shape tend to be round with continuous expansion，and surface cracks of any shape gradually flatten，which reasonably explains the flat shape of surface cracks when they continue to extend to the roof; the crack propagation rate along the upper surface of the buried stage is 54% higher than that along the lower surface.The crack propagation rate from the buried initiation stage to the roofdirection is larger; The crack shape ratio and the burial depth have a great influence on the initiation life，and the initiation life accounts for the majority of the total fatigue life.

Keywords： steel bridge deck; fatigue crack; fatigue life；stress intensity factor;embedded crack

正交異性鋼橋面板具有輕質(zhì)高強、工廠化制作、施工便捷等優(yōu)點[1-2，但由于鋼橋面板焊縫較多，含大量焊接接頭，容易在焊縫內(nèi)部或表面產(chǎn)生初始裂紋及氣孔、夾雜等焊接缺陷。長期直接承受車輛荷載的反復(fù)循環(huán)作用，頂板與縱肋焊接焊縫處埋藏缺陷容易萌生疲勞裂紋并迅速擴展[3]，導(dǎo)致大量鋼橋面板在通車后不久出現(xiàn)大量疲勞裂紋[4]?！对谟煤毕輭毫θ萜靼踩u定》（GB/T19624—2019）5以裂紋面所處的相對位置將裂紋分為埋藏裂紋、表面裂紋。焊縫內(nèi)部埋藏裂紋萌生成表面裂紋是裂紋缺陷失效破壞的常見形式之一[6]。既有研究成果多從表面裂紋開始研究裂紋的擴展行為，而忽略了焊縫隱藏缺陷逐漸擴展形成表面裂紋的萌生過程。由于裂紋埋藏階段具有隱秘性和不確定性，相對于其他焊接缺陷而言，其危害程度更大。因此，亟須開展鋼橋面板疲勞裂紋全壽命周期特性研究。

學(xué)者們對鋼橋面板焊縫處表面裂紋開展了大量試驗與理論研究。張清華等8提出一種三維裂紋模擬方法，該方法能準(zhǔn)確模擬鋼橋面板焊接構(gòu)造細節(jié)疲勞裂紋的擴展過程。黃云等揭示了裂紋面空間位置對裂紋擴展速率和疲勞壽命的影響規(guī)律，并通過足尺試驗?zāi)Ｐ万炞C疲勞壽命計算結(jié)果。Maljaars等[1]研究了貫穿型疲勞裂紋擴展行為，提出了考慮疲勞裂紋貫穿頂板后的剩余擴展壽命分析方法。相較而言，對于焊接埋藏缺陷的研究卻較為匱乏，其原因在于大型橋梁結(jié)構(gòu)與疲旁裂紋的尺度差距帶來的計算與試驗方面的困難。應(yīng)力強度因子能有效反映結(jié)構(gòu)裂紋擴展特性，Li等11基于位移法和能量法，獲得含埋藏裂紋的壓力管道應(yīng)力強度因子數(shù)值。王本勁等[2針對鋼橋面板的埋藏裂紋、氣孔、夾雜等焊接缺陷進行均質(zhì)化處理，發(fā)現(xiàn)了埋藏裂紋尺度的影響明顯高于氣孔、夾雜等其他缺陷。鋼橋面板中含大量焊縫以及可能的焊接缺陷，由于設(shè)備靈敏度和精度等原因，現(xiàn)有技術(shù)所能達到的精度難以覆蓋所有可能的焊接缺陷尺度[13]，往往無法精確檢測到埋藏裂紋在服役期中的演變過程，使得鋼橋面板焊接缺陷難以獲得準(zhǔn)確的疲勞性能評估值。Liu等[4研究表明，表面裂紋幾何形狀對疲勞壽命有顯著影響。

既往研究多聚焦于鋼橋面板表面裂紋擴展分析，而對焊縫埋藏缺陷逐漸擴展形成表面裂紋的萌生過程及裂紋擴展全壽命周期分析較為欠缺。針對鋼橋面板頂板與縱肋焊縫處的疲勞開裂問題，筆者結(jié)合線彈性斷裂力學(xué)理論與F-A交互技術(shù)，以某大跨度鋼箱梁懸索橋鋼橋面板足尺節(jié)段疲勞試驗和數(shù)值分析模型為基礎(chǔ)，從斷裂力學(xué)角度揭示焊縫處埋藏型疲勞裂紋的擴展特性與規(guī)律，合理描述埋藏裂紋與表面裂紋擴展過程及形狀演變，在此基礎(chǔ)上，對頂板與U肋構(gòu)造細節(jié)的疲勞壽命進行評估，并進一步探討疲勞裂紋全壽命周期的形態(tài)、擴展速率、壽命分布等擴展特性以及裂紋形狀和埋藏深度對疲勞裂紋擴展與壽命預(yù)測的影響。

1鋼橋面板疲勞裂紋模擬與壽命預(yù)測方法

1. 1 應(yīng)力強度因子基本理論

為了計算鋼橋面板裂紋的疲勞總壽命，首先需要分析裂紋的疲勞擴展行為和特征。疲勞裂紋擴展分析的關(guān)鍵是計算裂紋前沿的應(yīng)力強度因子和對裂紋擴展的預(yù)測。相互作用積分法又稱M-積分法，可以確定具有復(fù)雜應(yīng)力場的裂紋尖端的應(yīng)力強度因子，使用 M? 積分法計算應(yīng)力強度因子的表達式為

式中： 是裂紋前沿函數(shù)值； W^（1，2） 為應(yīng)變能密度，定義為

W^（1，2）=σ_ij^（1）ε_ij^（2）=σ_ij^（2）ε_ij^（1）

式中： σ_ij 為應(yīng)力分量； ε_ij 為應(yīng)變分量；上標(biāo)1和上標(biāo)2分別代表實際場和輔助場。

式（3）可描述相互作用積分法、材料屬性和應(yīng)力強度因子間的相關(guān)性。

采用有限元方法，聯(lián)立式（1）～式（3）即可對不同類型疲勞裂紋的應(yīng)力強度因子進行求解

1.2基于斷裂力學(xué)的疲勞壽命評估方法

針對疲勞裂紋擴展階段數(shù)值模型的研究，Paris定律[15認(rèn)為，疲勞裂紋前沿應(yīng)力強度因子幅值 ΔK 與裂紋擴展速率之間存在式（4）所示關(guān)系。

式中： a 為裂紋尺寸； N 為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)； ΔK 為應(yīng)力強度因子幅值； C 和 n 是與材料相關(guān)的擴展參數(shù)。依據(jù)BS 7910^[6] 建議的推薦值，取 C=5.21×10^-13 （204號 N?mm^-3/2 n=3 。在裂紋擴展過程中，鋼橋面板頂板與縱肋焊接細節(jié)疲勞裂紋應(yīng)力強度因子非恒定值，對于有限裂紋擴展增量，疲勞裂紋擴展壽命可以用式（5）計算。

式中： Δa 為第 i 步的裂紋增長量； ΔN 為裂紋增長量Δa 相對應(yīng)的載荷循環(huán)次數(shù)； i=1，2…r ，為裂紋擴展分析步數(shù)。

2 鋼橋面板節(jié)段模擬仿真

2.1鋼橋面板節(jié)段模型

以某大跨度鋼箱梁懸索橋為工程背景，建立鋼橋面板有限元模型。該模型材料為Q345D鋼材，彈性模量為 2.1×10⁵MPa ，泊松比為0.3，模型包含橫隔板與U肋各2個，模型長度為 3400mm ，試驗?zāi)Ｐ椭许敯搴穸葹?16mm ，U肋厚度為 8mm ，頂板-U肋上口寬 300mm ，下口寬 170mm ，高度 280mm ，橫隔板厚度為 10mm 。為與后續(xù)試驗?zāi)Ｐ捅３忠恢?，有限元模型采取兩點加載，加載面積為200mm×200mm 的車輪加載，約束鋼橋面板橫隔板底部所有節(jié)點的3向位移。模型參數(shù)如圖1所示。

2.2基于F-A交互技術(shù)的裂紋擴展求解與分析方法驗證

疲勞裂紋擴展分析通過有限元軟件ABAQUS和FRANC3D的交互使用完成。Liu等6證明了ABAQUS-FRANC3D交互技術(shù)用于鋼橋面板頂板與縱肋焊縫處的疲勞裂紋，求解裂紋應(yīng)力強度因子時具有較高精度。ABAQUS主要用于應(yīng)力分析，F(xiàn)RANC3D用于計算應(yīng)力強度因子和預(yù)測裂紋擴展。通過斷裂力學(xué)分析軟件FRANC3D在頂板與縱肋焊縫中插入一個初始裂紋，尺寸為：短半軸a、長半軸 ，進行網(wǎng)格重劃分，輸出網(wǎng)格尺度特征為0.025mm 的含裂紋實體子模型，提交有限元計算持續(xù)擴展裂紋。根據(jù)國際焊接協(xié)會IIW的建議[17]，當(dāng)裂紋擴展深度達到頂板厚度的一半，即可認(rèn)為達到了裂紋的疲勞壽命。ABAQUS-FRANC3D交互技術(shù)的工作流程如圖2所示。

采用F-A交互技術(shù)計算鋼橋面板的疲勞裂紋擴展速率，并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行比較，以驗證方法的正確性。試驗采用的加載設(shè)備為電液式脈動疲勞試驗機，作動器下設(shè)分配梁，將力傳至兩端鋼墊板，鋼墊板面積為 200mm×200mm ，模擬車輪加載。疲勞試驗采用的荷載上峰值為 350kN 下峰值為 70kN ，疲旁荷載幅值為 280kN 。在疲勞加載整個過程中采用常幅疲勞加載，加載頻率為3Hz ，記錄疲勞裂紋擴展情況及相應(yīng)的加載次數(shù)，試驗足尺模型如圖3所示。

鋼橋面板試驗采取在分配梁下的頂板與縱肋焊縫焊趾處制造一條初始深度 a=4mm 、半長軸c=20mm 的初始缺陷，以模擬疲勞裂紋，采用滲透檢測法測量疲勞裂紋表面擴展長度，并記錄相應(yīng)的荷載循環(huán)次數(shù)。圖4顯示，當(dāng)裂紋沿表面擴展 15mm ，通過數(shù)值模擬和試驗獲得的循環(huán)次數(shù)分別為441622和477000次循環(huán)，相對誤差為 7.4% 。由于試驗足尺模型中材料、人為制造表面初始缺陷的裂紋形態(tài)等因素?zé)o法完全等效數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果略小于試驗結(jié)果，兩者結(jié)果基本吻合，如圖4所示。綜合來看，F(xiàn)-A交互技術(shù)可用于鋼橋面板疲勞裂紋擴展分析。

3鋼橋面板疲勞裂紋應(yīng)力強度因子分析

3.1疲勞裂紋應(yīng)力強度因子擴展分析

為研究疲勞裂紋擴展全壽命周期裂紋前沿應(yīng)力強度因子分布，引入埋藏式初始裂紋模擬焊接初始缺陷，根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)缺陷評定相關(guān)規(guī)范[17]，裂紋擴展分析中將埋藏裂紋近似為橢圓處理，但裂紋初始參數(shù)仍未統(tǒng)一。取較小尺寸即初始裂紋深度 a= 0.25mm 、裂紋半長 c=1.25mm 的橢圓埋藏裂紋作為頂板與縱肋焊接構(gòu)造細節(jié)處的初始缺陷，完整揭示裂紋擴展全過程。焊接細節(jié)處疲勞裂紋為I型為主的復(fù)合型裂紋[18]， K_I?K_I 的數(shù)值均遠小于 K_I 暫不進行分析。圖5顯示了埋藏式裂紋在不同生長階段的裂紋前沿應(yīng)力強度因子分布。

疲勞裂紋的整個生長過程可分為3個階段。

第1階段是埋藏階段。橫坐標(biāo) 0～0.5 區(qū)間裂紋前沿代表埋藏裂紋上表面的應(yīng)力強度因子， 0.5～1 區(qū)間裂紋前沿代表埋藏裂紋下表面的應(yīng)力強度因子，整個埋藏階段，上表面的應(yīng)力強度因子大于下表面，如圖5（a）所示。顯示裂紋向頂板方向擴展更快，隨著埋藏裂紋不斷擴展，每一步分析應(yīng)力強度因子也將逐漸增大。當(dāng)埋藏裂紋持續(xù)擴展接近焊縫表面，其下表面應(yīng)力強度因子受應(yīng)力場相互疊加影響，裂紋生長進入萌生階段，如圖5（b）所示。

第2階段是萌生階段。隨著埋藏裂紋不斷擴展，其與焊縫下表面之間的距離逐漸減小，由于鄰近表面應(yīng)力集中的影響，下表面裂紋尖端的應(yīng)力強度因子顯著大于其他點的應(yīng)力強度因子，由于鄰近表面應(yīng)力集中的影響，下表面裂紋尖端的應(yīng)力強度因子顯著大于其他點的應(yīng)力強度因子，且持續(xù)增大，此時下表面擴展增量會大于上表面，裂紋快速貫穿焊縫萌生成表面裂紋，此時的裂紋前沿應(yīng)力強度因子將會重分布，裂紋生長進入擴展階段。

第3階段是擴展階段，這意味著裂紋已經(jīng)萌生，裂紋擴展階段的應(yīng)力強度因子將會顯著大于埋藏階段，形成新的裂紋，前沿呈表面裂紋擴展規(guī)律，如圖5（c）所示，裂紋符合張清華等[19提出的表面裂紋擴展規(guī)律。裂紋前沿兩端的應(yīng)力強度因子逐漸增大，表明裂紋表面尖端的擴展速率大于其他點，裂紋將逐漸變得扁平。

在埋藏階段， 90^° 擴展方向的應(yīng)力強度因子最大，0方向最小，之后兩個方向的應(yīng)力強度因子逐漸趨于一致。當(dāng)多個方向的應(yīng)力強度因子相等時，埋藏裂紋突破焊縫下表面進入到表面裂紋擴展階段，在此階段， 0^° 方向的應(yīng)力強度因子持續(xù)增大，并且顯著大于其他方向，如圖6所示。裂紋相應(yīng)的長軸方向擴展速率也持續(xù)增加，而 90^° 方向的應(yīng)力強度因子緩慢增加后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。裂紋向表面長軸方向加速擴展，最后，按卜一之等20提出的表面裂紋擴展規(guī)律發(fā)展成一條扁長的裂紋。

3.2應(yīng)力強度因子沿不同路徑的動態(tài)分析

在疲勞裂紋擴展過程中，不同路徑的應(yīng)力狀態(tài)對于研究裂紋的不同生長階段具有重要意義。分析初始深度 a=0.25mm 、裂紋半長 c=1.25mm 裂紋形態(tài)比 a/c=0.2 ，以及初始深度 a=0.25mm 裂紋半長 c=0.5mm 、裂紋形態(tài)比 a/c=0.5 兩種裂紋形態(tài)的應(yīng)力強度因子發(fā)展規(guī)律，如圖6所示。 a/c= 0.2的埋藏裂紋在978566次荷載循環(huán)即貫穿焊縫進入裂紋擴展階段； a/c=0.5 的埋藏裂紋在 1589066次荷載循環(huán)進入裂紋擴展階段，較大形態(tài)比的埋藏裂紋更易萌生表面裂紋。

4鋼橋面板疲勞裂紋形態(tài)比分析

4.1不同形態(tài)比的裂紋靜態(tài)應(yīng)力強度因子分析

在焊縫中引人埋深 1mm 、初始深度 a=0.25 mm 的軸向埋藏裂紋，通過改變裂紋形態(tài)比 α/c ，計算埋藏裂紋前沿應(yīng)力強度因子的變化趨勢，不同形態(tài)比的裂紋前沿應(yīng)力強度因子曲線分布如圖7所示。

K_ι 數(shù)值呈雙峰波浪形，當(dāng) a/clt;1 時，其最小值位于裂紋的左右兩端點，最大值位于裂紋的上下兩端點，顯示裂紋易沿上下表面擴展；隨著 α/c 的增大， K_ι 的數(shù)值整體下降，最大值與最小值之差逐漸減小，意味著此時裂紋擴展逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng) a/c=1.0 時，埋藏裂紋前沿的應(yīng)力強度因子大小近乎相等，表明此時裂紋擴展比較穩(wěn)定，會保持 a/c=1.0 的形態(tài)持續(xù)擴展。當(dāng) a/cgt;1.0 時，隨著 α/c 的增大，最大值與最小值之差逐漸增大，形態(tài)比 a/cgt;1.0 的最大值與最小值點的位置與 a/clt;1.0 時的位置剛好相反。因此，針對鋼橋面板焊縫中檢測出的埋藏裂紋，可通過埋藏裂紋形態(tài)比數(shù)值判斷裂紋擴展方向，從而采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

頂板與縱肋焊接細節(jié)焊趾處引入初始深度 a= 2mm 、半長軸 c=4mm 的初始裂紋，通過改變裂紋形態(tài)比 α/c 的數(shù)值，不同形態(tài)比的裂紋前沿 K_I 曲線分布如圖8所示。疲勞裂紋前沿的 K_I 均隨初始疲勞裂紋形態(tài)比 a/c 的增大而逐漸減小，除 a/c=0.2 外，裂紋最深點的 K_I 的是整個裂紋前沿的最小點，裂紋兩端表面點是整個裂紋前沿的最大點，表面裂紋易沿左右表面點擴展。

4.2埋藏階段裂紋形狀演化

對于 a/clt;1.0 的埋藏裂紋，隨著裂紋擴展深度的增加，裂紋形態(tài)比 a/c 逐漸增大至1.0，后保持不變；對于 a/cgt;1.0 的埋藏裂紋，隨著裂紋擴展深度的增加，裂紋形態(tài)比 α/c 減小，數(shù)值接近于1.0后保持不變，如圖9所示。說明埋藏裂紋不斷擴展，最后形狀趨近于圓形。

鋼橋面板埋藏階段裂紋擴展形狀演化過程為：隨著疲勞裂紋擴展，裂紋擴展長度逐漸增大，但始終在長軸方向的擴展長度最短，在短軸方向的擴展長度最長，且兩者會逐漸接近，最終裂紋擴展的形狀并非呈橢圓形，而是趨近于圓形。由于此時埋藏裂紋前沿的應(yīng)力強度因子數(shù)值大小相近，除非受到外界條件的激勵，否則埋藏裂紋一直保持圓形不斷擴展。裂紋形態(tài)比演變有限元分析結(jié)果如圖10所示，可以看出，埋藏裂紋形狀會對初期擴展階段產(chǎn)生影響，任意初始形狀的埋藏裂紋逐步擴展為圓形，不受初始尺寸的影響。

4.3表面擴展階段裂紋形狀演化

對于 a/clt;0.25 的表面裂紋，隨著裂紋擴展深度的增加，裂紋形態(tài)比 α/c 增大到0.26后保持不變；對于 a/cgt;0.25 的表面裂紋，隨著裂紋深度增加，裂紋形態(tài)比 a/c 減小到0.26后保持不變，說明表面裂紋隨著擴展，最后趨于一個固定形狀，如圖11所示。

形態(tài)比 a/c=0.2，a/c=1.0 的表面裂紋數(shù)值模擬擴展軌跡結(jié)果如圖12所示。裂紋最深點的擴展距離最小，而左右兩端表面點的擴展距離最大且逐漸增大，裂紋將快速變得扁平。鋼橋面板試驗驗證裂紋擴展階段，當(dāng)疲勞裂紋持續(xù)擴展至貫穿頂板被發(fā)現(xiàn)時，通常已經(jīng)達到很長的長度，如圖13所示。

4.4鋼橋面板疲勞裂紋全壽命周期形狀變化結(jié)果

Gotoh等[21]對埋藏裂紋擴展形狀演變進行了試驗研究，試樣的中心位置設(shè)有對接焊接接頭，在圖14（a）中的灰色區(qū)域引入了一個初始的人工埋藏缺陷，采用均勻拉伸加載條件。

通過數(shù)值模擬得到的裂紋增長歷程曲線與測量結(jié)果的比較如圖15所示，其中虛線表示引用文獻試驗測量結(jié)果，實線表示F-A交互技術(shù)模擬結(jié)果。兩者形態(tài)變化基本一致，分析結(jié)果表明，F(xiàn)-A交互技術(shù)能夠準(zhǔn)確地估計焊縫中嵌入焊接缺陷產(chǎn)生的疲勞裂紋擴展軌跡歷史。鋼橋面板疲勞裂紋全壽命完整形狀演化結(jié)果如圖15所示。

5 鋼橋面板疲勞裂紋壽命分析

5.1裂紋埋藏階段擴展速率分析

鋼橋面板疲勞裂紋擴展速率受形態(tài)比的影響，其中不同形態(tài)比下裂紋深度方向擴展到一半頂板厚度，定義疲勞破壞擴展終止[1]。分析不同埋藏深度下4種形態(tài)比的裂紋擴展規(guī)律，如圖16所示。

如圖16（a）所示，埋深 1mm 的初始裂紋沿上表面的擴展速率明顯大于下表面的擴展速率，埋藏裂紋下表面端點擴展 0.75mm 至貫穿焊縫時，裂紋上表面擴展了 1.16mm ，相應(yīng)的擴展長度增大了54% ；圖16（b）顯示，埋深 2mm 的初始裂紋沿上表面的擴展速率明顯大于下表面的擴展速率，埋藏裂紋下表面端點擴展 1.75mm 至貫穿焊縫時，裂紋上表面擴展了 2.3mm ，相應(yīng)的擴展長度增大了 31% ，裂紋向頂板方向擴展更快。

5.2裂紋全壽命周期擴展速率分析

圖16計算顯示了裂紋埋藏階段的擴展速率，為研究鋼橋面板疲勞裂紋全壽命周期的擴展規(guī)律，還分析了疲勞裂紋擴展階段的速率，如圖17所示。規(guī)范對裂紋疲勞壽命定義為：裂紋形成壽命和裂紋擴展壽命總壽命是二者之和。當(dāng)埋藏裂紋突破焊縫下表面生成表面裂紋，即從埋藏萌生階段進入到擴展階段。在此階段裂紋的擴展速率急劇增加，當(dāng)初始埋藏形態(tài)比 a/c=0.5 埋藏深度 1mm 時，擴展階段的擴展速率是埋藏階段的6.5倍；當(dāng)初始埋藏形態(tài)比 a/c=0.5. 埋藏深度 2mm 時，擴展階段的擴展速率是埋藏階段的8倍；當(dāng)初始埋藏形態(tài)比 a/c= 2.0、埋藏深度為 1，2mm 時，擴展階段的擴展速率是埋藏階段的11.8倍、13.8倍?？梢娏鸭y形態(tài)比和埋藏深度對擴展速率有很大影響。

由此可見，若裂紋的形態(tài)比 a/c 較小，則可以更早進入裂紋擴展階段。在新階段，裂紋的應(yīng)力強度因子更高，相應(yīng)的裂紋擴展速度明顯更快。相同的擴展長度下，較小形態(tài)比的裂紋循環(huán)次數(shù)明顯降低，這也將導(dǎo)致不同形態(tài)的初始缺陷對疲勞壽命影響很大。

5.3裂紋疲勞壽命分析

計算考慮裂紋不同形態(tài)比的裂紋擴展速率分析。為研究裂紋不同階段的特性，計算了裂紋全壽命周期的分布特質(zhì)，如圖18所示。在初始埋藏深度為 1mm 時，形態(tài)比 a/c=0.5 的埋藏裂紋在1748452次循環(huán)后進入裂紋擴展階段，而形態(tài)比 a/c=2.0 的埋藏裂紋在3227473次循環(huán)后進人裂紋擴展階段，受形態(tài)比的影響，埋藏階段的疲勞壽命增大了85% ，小形態(tài)比的裂紋更難萌生。而不同形態(tài)比的裂紋擴展壽命大致在148萬次循環(huán)后，疲勞裂紋總壽命增大了 47% 。形態(tài)比 a/c=0.5 ，埋藏深度 2mm 的裂紋疲勞總壽命是埋藏深度 1mm 的2.3倍，較大埋深的缺陷更難達到疲勞壽命。顯然，初始形態(tài)比、埋藏深度等參數(shù)對裂紋疲勞壽命影響很顯著。

從圖18可以看出，在裂紋擴展壽命分析中，擴展階段的疲勞壽命較萌生壽命明顯減小。隨著裂紋形態(tài)比的增大，疲勞埋藏萌生壽命和疲勞總壽命逐步增大，而對擴展階段疲勞壽命影響不大。裂紋埋藏萌生壽命在疲勞總壽命中占比很大，不同形態(tài)比對裂紋擴展有明顯影響，工程實際中應(yīng)考慮焊接缺陷形態(tài)比對疲勞壽命的影響。針對工程中檢測出的埋藏裂紋或缺陷，可通過測量裂紋的形態(tài)比數(shù)值和埋藏深度，進而預(yù)測裂紋形成壽命和裂紋擴展壽命，對應(yīng)不同的發(fā)展階段采取相應(yīng)的預(yù)防和加固措施。

6 結(jié)論

開展鋼橋面板焊縫處疲勞裂紋全壽命周期擴展分析，揭示疲勞裂紋不同生長階段的應(yīng)力強度因子分布及動態(tài)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)裂紋擴展形態(tài)演化特性，開展不同埋藏深度的裂紋擴展速率及疲勞壽命分析。主要結(jié)論如下：

1）針對疲勞裂紋擴展特性，將裂紋擴展劃分為埋藏階段、萌生階段、擴展階段，并揭示了不同發(fā)展階段的應(yīng)力強度因子變化規(guī)律。在沿不同角度路徑的應(yīng)力強度因子分析中，發(fā)現(xiàn)裂紋埋藏萌生階段和擴展階段的應(yīng)力強度因子分布正好相反。

2）不同形態(tài)的埋藏裂紋應(yīng)力強度因子圍繞a/c=1.0 的數(shù)值逐漸收斂。隨著裂紋的擴展，任意初始形態(tài)比的埋藏裂紋最終形狀都趨于圓形，不受初始尺寸影響。針對表面裂紋，任何形態(tài)的初始尺寸，最后形狀都趨于一個固定形態(tài) a/c=0.26 ，當(dāng)疲勞裂紋持續(xù)擴展至貫穿頂板被發(fā)現(xiàn)時，已經(jīng)達到較長的長度。

3）埋藏萌生階段裂紋沿上表面的擴展速率明顯大于下表面。埋藏裂紋會先貫穿焊縫下表面，從埋藏萌生階段進人裂紋擴展階段，急速往頂板方向擴展，裂紋擴展階段的擴展速率是埋藏階段的11.7倍。

4）隨著形態(tài)比 α/c 的增大，埋藏裂紋更難貫穿表面，埋藏萌生階段的疲勞壽命相應(yīng)增大，擴展階段的疲勞壽命保持不變。萌生壽命在疲勞總壽命中占比很大，驗證了實橋和試驗中裂紋一旦被發(fā)現(xiàn)將快速貫穿頂板的現(xiàn)象。綜合來看，應(yīng)考慮裂紋形態(tài)比、埋深等參數(shù)對鋼橋面板疲勞評估壽命和可靠性的影響。

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（編輯王秀玲）