鋼橋面板縱肋雙面焊縫疲勞裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子

　　摘 要：雙面焊有望改善頂板縱肋焊接構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞抗力，而初始焊接缺陷是影響該類構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞性能的關(guān)鍵因素。基于斷裂力學(xué)理論，采用FRANC3D-ABAQUS交互技術(shù)建立了含初始裂紋的鋼橋面板多尺度有限元模型，研究頂板縱肋連接焊縫疲勞裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子。分析了焊縫熔透率、頂板厚度、初始裂紋形狀比等對(duì)雙面焊縫疲勞裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響規(guī)律。結(jié)果表明：鋼橋面板縱肋連接焊縫細(xì)節(jié)處疲勞裂紋為Ⅰ型主導(dǎo)的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ復(fù)合型疲勞裂紋;雙面焊縫頂板焊根處疲勞裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子最大值比單面焊縫小64.3%，改善了頂板縱肋焊縫的疲勞性能;焊縫熔透率對(duì)頂板縱肋雙面焊接細(xì)節(jié)疲勞裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子影響較小;加厚頂板顯著降低了頂板縱肋雙面焊接細(xì)節(jié)疲勞裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子;隨著初始裂紋形狀比增大，裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子減小。

　　關(guān)鍵詞：鋼橋面板;雙面焊縫;有限元法;應(yīng)力強(qiáng)度因子;疲勞性能

　　正交異性鋼橋面板(簡(jiǎn)稱鋼橋面板)具有施工便捷、輕質(zhì)高強(qiáng)以及環(huán)境適用性好等優(yōu)點(diǎn)，在大跨度斜拉橋和懸索橋中得到了普遍應(yīng)用[1-2]。但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊縫多，在車輛荷載的長(zhǎng)期作用下，焊縫幾何形狀突變或焊接缺陷等部位容易產(chǎn)生疲勞裂紋[3-4]。目前，鋼橋面板縱肋廣泛采用的部分熔透焊縫容易發(fā)生疲勞開裂，其中，起裂于頂板焊趾和焊根處向板厚方向擴(kuò)展的疲勞裂紋較為突出，難以檢測(cè)與控制[5-8]。頂板縱肋焊縫疲勞裂紋一直是影響鋼橋面板使用壽命的控制性難題[9-11]。

　　近年來(lái)，研究人員針對(duì)鋼橋面板縱肋連接焊縫的疲勞開裂問(wèn)題展開了大量研究。Sim等[12]對(duì)不同熔透率(40%、60%、80%)的頂板U肋焊縫進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明，熔透率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致焊縫的應(yīng)力較大，從而引發(fā)疲勞裂紋。Kainuma等[13]制作了不同熔透率(0%、75%和100%)的鋼橋面板足尺試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，熔透率在0%～75%之間有利于改善頂板縱肋焊接細(xì)節(jié)的疲勞耐久性。Dung等[3]通過(guò)對(duì)熔透率分別為75%和100%的鋼橋面板足尺試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)和數(shù)值分析，結(jié)果表明，熔透率為100%有利于提高頂板縱肋焊縫的疲勞性能。熔透率對(duì)鋼橋面板縱肋焊接細(xì)節(jié)疲勞性能的影響尚不明確。若在縱肋內(nèi)側(cè)增加一道焊縫，能改變傳統(tǒng)單面焊的偏心狀態(tài)，增大熔透率，同時(shí)使焊根處未焊透部分形成封閉的剛性區(qū)，有望提高頂板縱肋連接焊縫的疲勞性能。中國(guó)學(xué)者首創(chuàng)了U肋內(nèi)焊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)頂板縱肋雙面焊接工廠化，并成功應(yīng)用于沌口長(zhǎng)江大橋、嘉魚長(zhǎng)江大橋等實(shí)際工程[14-15]。但目前仍缺乏對(duì)雙面焊疲勞失效模式、疲勞性能等關(guān)鍵問(wèn)題的研究。

　　斷裂力學(xué)在焊接鋼橋的疲勞評(píng)估中得到了廣泛應(yīng)用，而應(yīng)力強(qiáng)度因子是該方法中最主要的物理力學(xué)參量之一，決定了裂紋擴(kuò)展速率[16]。對(duì)于受力模式和構(gòu)造形式均較復(fù)雜的裂紋體的應(yīng)力強(qiáng)度因子，主要通過(guò)數(shù)值方法計(jì)算得到[17]。但目前對(duì)于鋼橋面板中出現(xiàn)的復(fù)雜三維裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子的研究較少。筆者基于線彈性斷裂力學(xué)理論，建立了鋼橋面板三維斷裂力學(xué)有限元模型，以應(yīng)力強(qiáng)度因子為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)比分析了頂板U肋單面焊和雙面焊的疲勞性能，并分析焊縫熔透率、頂板厚度、初始裂紋形態(tài)對(duì)雙面焊接細(xì)節(jié)裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響規(guī)律。

　　1 應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算理論

　　Yau等[18]最先提出了計(jì)算3種斷裂模式的應(yīng)力強(qiáng)度因子(KⅠ、KⅡ和KⅢ)的M-積分法，M-積分法的表達(dá)式為

　　M(1，2)=∫Γσ(1)iju(2)ix1+σ(2)iju(1)ix1-W(1，2)δ1j·

　　qxjds/Aq(1)

　　式中：Aq=∫Lqtds，qt是裂紋前緣函數(shù)值;W(1，2)為相互作用應(yīng)變能密度，定義為

　　W(1，2)=σ(1)ijε(2)ij=σ(2)ijε(1)ij(2)

　　式中：σij是應(yīng)力張量;εij是應(yīng)變張量;上標(biāo)1、2分別代表實(shí)際場(chǎng)和輔助場(chǎng)。

　　M-積分與材料屬性以及應(yīng)力強(qiáng)度因子K之間的關(guān)系為

　　M(1，2)=2×1-v2EK(1)IK(2)I+1-v2EK(1)ⅡK(2)Ⅱ+

　　1+vEK(1)ⅢK(2)Ⅲ(3)

　　因此，

　　∫Γσ(1)iju(2)ix1+σ(2)iju(1)ix1-W(1，2)δ1jqxjds/Aq=

　　2×1-v2EK(1)ⅠK(2)Ⅰ+1-v2EK(1)ⅡK(2)Ⅱ+1+vEK(1)ⅢK(2)Ⅲ(4)

　　KⅠ、KⅡ和KⅢ可由式(4)通過(guò)有限元計(jì)算得到。

　　在有限元模型中引入疲勞裂紋的方法是進(jìn)行斷裂力學(xué)分析的前提。三維斷裂力學(xué)分析軟件FRANC3D采用自適應(yīng)網(wǎng)格重新劃分技術(shù)，可以簡(jiǎn)單高效地引入任意形狀的初始裂紋并聯(lián)合有限元通用軟件ABAQUS進(jìn)行求解。FRANC3D-ABAQUS交互技術(shù)包括ABAQUS建模分析和FRANC3D斷裂力學(xué)分析兩部分，其工作流程如圖1所示。

　　為驗(yàn)證FRANC3D-ABAQUS求解疲勞裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子K的準(zhǔn)確性與可行性，以含半橢圓表面裂紋的有限厚度板為研究對(duì)象，建立三維斷裂力學(xué)有限元模型來(lái)計(jì)算裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子，如圖2所示。將不同半橢圓表面裂紋參數(shù)的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算結(jié)果與Raju-Newman手冊(cè)[19]的理論值進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。結(jié)果表明，有限元計(jì)算結(jié)果與理論值較吻合，最大相對(duì)誤差小于2.0%，表明基于FRANC3D-ABAQUS計(jì)算三維斷裂問(wèn)題的裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子可行，具有較高的精度。

　　2 頂板縱肋雙面焊接構(gòu)造

　　基于考慮頂板縱肋單面坡口焊縫焊根處存在的未熔透“類裂紋”構(gòu)造(如圖4所示)導(dǎo)致其疲勞開裂突出的本質(zhì)特性，中國(guó)的研究者研發(fā)了自動(dòng)化U肋內(nèi)焊技術(shù)，在傳統(tǒng)單面焊接構(gòu)造的基礎(chǔ)上，通過(guò)智能化機(jī)器人自動(dòng)化焊接技術(shù)在U肋內(nèi)部增加一道角焊縫而形成新型雙面焊接構(gòu)造，如圖5所示。雙面焊構(gòu)造使焊根處未熔透部分形成了封閉的剛性區(qū)，有望解決萌生于焊根處的疲勞裂紋，但引入的內(nèi)焊縫也可能成為新的疲勞裂紋源。因此，以文獻(xiàn)[22]中的幾種裂紋形式來(lái)分別模擬單面焊接和雙面焊接的初始焊接缺陷的影響，如圖6所示。

　　3 頂板縱肋焊接構(gòu)造多尺度有限元模型

　　3.1 工程概況

　　某主跨為380 m的斜拉橋鋼箱梁正交異性鋼橋面板的頂板厚16 mm，U肋厚8 mm，上口寬、下口寬分別為300、170 mm，橫向間距為600 mm，橫隔板厚12 mm，縱向間距為3.2 m。選取包含4個(gè)橫隔板、5個(gè)U肋的鋼橋面板節(jié)段模型。頂板U肋連接焊縫分別為傳統(tǒng)單面焊和新型雙面焊，頂板與焊縫的夾角參數(shù)α1、α2、β1分別為45°、45°和55°，焊縫高度參數(shù)h1、h2、h3均為8 mm，焊縫熔透率為80%(焊縫未熔透長(zhǎng)度為6.4 mm)，頂板與U肋裝配間隙參數(shù)g為0.5 mm。鋼橋面板節(jié)段構(gòu)造及焊接構(gòu)造細(xì)節(jié)如圖7所示。

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