不同参数组合下纵肋顶板焊趾处裂纹扩展变化规律分析

吴晓东， 朱金柱

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 431400；3.交通运输行业交通基础设施智能制造研发中心，湖北 武汉 431400；4.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，湖北 武汉 431400)

0 引 言

正交异性钢桥面板由于承载能力强、跨径大、施工速度快等优点，在大跨径桥梁和城市道路桥梁中应用较为广泛。然而，由于其结构复杂并承受复杂的应力，并且焊接初始缺陷不可避免，在焊缝处极易产生疲劳裂纹[1-3]。疲劳裂纹初始形成时极难被发现，均是在发展到一定长度后才被检测出来，此时裂纹扩展已经对结构刚度和安全产生了一定的影响，因此疲劳开裂严重影响结构的安全运营[4]。在已发现的疲劳易损细节中，纵肋顶板焊接细节疲劳开裂比例较大，并且危害也最为严重[5]。根据调查结果，80%～90%的钢桥破坏与疲劳密切相关，疲劳已成为钢桥结构失效的主要原因之一[6]。为了寻找不同参数组合下纵肋顶板焊趾处裂纹扩展变化规律，本文建立了包含不同参数的有限元模型，提取焊趾处裂纹扩展长度和扩展深度，对比了不同参数组合下裂纹扩展的变化规律。

1 试验简介

根据文献[7]中试验模型，建立了与之对应的有限元模型。试件顶板通过高强螺栓固定于试验工装上。试件主要结构参数：顶板厚度为14 mm或16 mm，U肋腹板厚度为8 mm，纵肋腹板与顶板夹角为78°，熔透率取80%和100%两种。加载面积为100 mm×160 mm。试件所施加荷载通过离焊趾5 mm处测点的应力进行控制，本文所施加荷载大小分为55 MPa、80 MPa和100 MPa三种。

2 有限元模型建立及模型验证

2.1 有限元模型的建立

本文通用有限元软件建立试件有限元模型，取距焊缝中心处各6 cm焊缝长度作为子模型来模拟裂纹扩展。钢材弹性模量为2.0×105MPa，泊松比为0.3。有限元模型及子模型如图1所示。

图1 全熔透全局模型及子模型

2.2 模型有效性验证

根据断裂力学[8-10]相关理论知识，可以得到裂纹扩展疲劳寿命与裂纹扩展长度之间的关系，通过与文章中实测结果对比，可以看出，理论结果能够和实测结果较好地吻合。对比结果如图2所示。

图2 有限元与实测结果对比图

3 计算结果对比

3.1 计算结果提取

基于已建立的有限元模型，设定裂纹初始尺寸及扩展步长，从结果文件中提取关注位置的裂纹扩展长度和裂纹扩展深度。为方便对比，裂纹扩展深度处理为无量纲的百分比形式。不同参数下的对比结果如下所述。

3.2 计算结果对比

不同荷载幅值作用下裂纹扩展规律如图3所示。

由图3可知，当熔透率和顶板厚度相同时，改变荷载幅值的大小，裂纹扩展规律变化曲线基本重合，因此裂纹扩展规律的变化不受荷载幅值大小的影响。

图3 不同荷载幅值作用下的裂纹扩展规律对比

不同熔透率裂纹变化规律如图4所示。

图4 不同熔透率裂纹扩展规律对比

由图4可知，不同熔透率时裂纹扩展规律基本相同，因此熔透率对裂纹扩展规律的变化也不产生影响。

通过以上结果可知，荷载幅值大小和熔透率的不同不会对裂纹扩展规律产生影响，而采用不同顶板厚度时裂纹扩展是否也具有同样的规律则需要做进一步的验证。

不同顶板厚度时关键测点应力变化如图5所示。

图5 不同顶板厚度裂纹扩展规律对比

由图5可知，顶板厚度的不同会对裂纹扩展规律造成一定的影响，相同裂纹扩展深度时，16 mm顶板厚度对应模型裂纹长度更大，即相同裂纹扩展长度时，16 mm顶板厚度对应模型裂纹扩展深度更小。但同一裂纹扩展深度对应的裂纹长度差别或者同一裂纹长度对应的裂纹扩展深度差别较小，仅在1%左右。

3.3 提取代表曲线

由上述分析可知，施加荷载幅值和熔透率的不同对裂纹扩展规律几乎无影响，而顶板厚度的不同对裂纹扩展规律的影响十分有限，仅为1%左右，因此可用其中一个参数组合的裂纹扩展规律曲线作为代表性的裂纹扩展规律。此处取熔透率为80%、荷载幅值为80 MPa、顶板厚度为14 mm的曲线作为代表曲线，如图6所示。

图6 裂纹扩展规律代表曲线

4 结 论

(1) 通过数据对比，有限元模型能够较为准确地模拟实验模型。

(2) 模型施加荷载幅值和熔透率的不同对裂纹扩展规律基本无影响。

(3) 顶板厚度对裂纹扩展规律会产生一定的影响，但因顶板厚度的不同所产生的差别较小，仅为1%左右。

(4) 根据不同参数组合对裂纹扩展规律的分析结果，得到了纵肋顶板焊趾处裂纹扩展规律的代表性曲线。