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钢桥面板疲劳裂纹耦合扩展机理的数值断裂力学模拟

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中国公路学报 2017年第3期30卷 82-95页

作者：王春生翟慕赛唐友明陈惟珍瞿天宇长安大学公路学院陕西西安710064 长安大学公路大型结构安全教育部工程研究中心陕西西安710064 同济大学桥梁工程系上海200092

为研究钢桥面板疲劳裂纹耦合扩展机理,建立焊接分析有限元模型,对纵肋-顶板连接细节、纵肋-横隔板连接细节的焊接全过程进行数值模拟,基于扩展有限元方法建立钢桥面板数值断裂力学模型,对疲劳敏感细节裂纹静、动态扩展行为进行分析。焊... 详细信息

为研究钢桥面板疲劳裂纹耦合扩展机理,建立焊接分析有限元模型,对纵肋-顶板连接细节、纵肋-横隔板连接细节的焊接全过程进行数值模拟,基于扩展有限元方法建立钢桥面板数值断裂力学模型,对疲劳敏感细节裂纹静、动态扩展行为进行分析。焊接过程分析结果表明:纵肋-顶板连接焊缝区域、纵肋-横隔板焊缝端部区域均存在较大的残余拉应力,峰值接近钢材屈服强度;横隔板挖孔边缘存在切向残余拉应力,峰值约为200 MPa。疲劳裂纹扩展行为分析结果表明:纵肋-顶板连接细节在车辆荷载单独作用下以受压为主,考虑残余应力场作用后细节处于拉-拉应力状态,疲劳裂纹为Ⅰ型主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹;车辆偏载作用下纵肋产生扭转变形,计入残余应力后纵肋-横隔板连接焊缝焊趾受拉开裂,萌生于纵肋焊趾、向纵肋腹板扩展的疲劳裂纹为Ⅰ型主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹,萌生于纵肋-横隔板连接焊缝横隔板侧焊趾和横隔板挖孔边缘的疲劳裂纹为Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹;纵肋对接细节的疲劳裂纹为Ⅰ型裂纹,车辆荷载作用下以受拉为主,位于纵肋底板弧形过渡区的裂纹相较于纵肋底板中间区域具备更强的扩展能力。

关键词：桥梁工程钢桥面板数值断裂力学疲劳裂纹耦合扩展机理扩展有限元法

钢桥面板纵肋对接焊缝疲劳开裂主动加固方法研究

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桥梁建设 2021年第2期51卷 18-25页

作者：张清华朱金柱陈璐周尚猛西南交通大学桥梁工程系四川成都610031 中交第二航务工程局有限公司湖北武汉430040 中铁大桥科学研究院有限公司湖北武汉430034

为实现钢桥面板纵肋对接焊缝疲劳开裂的主动加固,提出基于铁基形状记忆合金(Fe-SMA)的主动加固方法,即通过栓接Fe-SMA并采用热电阻激励使其自动产生预应力实现主动加固。为验证其有效性,采用ANSYS软件建立港珠澳大桥的单纵肋节段试验模... 详细信息

为实现钢桥面板纵肋对接焊缝疲劳开裂的主动加固,提出基于铁基形状记忆合金(Fe-SMA)的主动加固方法,即通过栓接Fe-SMA并采用热电阻激励使其自动产生预应力实现主动加固。为验证其有效性,采用ANSYS软件建立港珠澳大桥的单纵肋节段试验模型的实体有限元模型,利用线弹性断裂力学对纵肋对接焊缝处疲劳裂纹前缘的应力强度因子进行了分析,研究了基于Fe-SMA的主动加固方法的加固效果及预应力水平对主动加固效果的影响。结果表明:纵肋对接焊缝的疲劳裂纹扩展以Ⅰ型开裂为主导,疲劳裂纹出现后,扩展速率加快,严重影响结构安全性;基于Fe-SMA的主动加固方法对未穿透型疲劳裂纹有良好的加固效果,当裂纹深度较大时,应适当提高加固件的预应力水平以增强加固效果;为保证纵肋对接焊缝细节处各种尺寸的未穿透型疲劳裂纹均达到理想止裂状态,预应力水平至少为300 MPa。

关键词：钢桥面板纵肋对接焊缝疲劳裂纹主动加固铁基形状记忆合金预应力水平数值模拟

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钢桥面板U肋-盖板焊缝疲劳裂纹萌生仿真

交通运输工程学报 2024年第1期24卷 131-145页

作者：赵秋唐琨李英豪邓俊逸福州大学土木工程学院福建福州350116 西南交通大学土木工程学院四川成都610031

为建立适用于钢桥面板U肋-盖板焊缝疲劳裂纹萌生分析方法,以Roe-Siegmund循环内聚力模型为基础,考虑混合加载模式下的内聚力参数转换,对ABAQUS进行二次开发,形成反映疲劳累计损伤的VUMAT子程序;通过试验数据获得了Q345钢材对应的焊接区... 详细信息

为建立适用于钢桥面板U肋-盖板焊缝疲劳裂纹萌生分析方法,以Roe-Siegmund循环内聚力模型为基础,考虑混合加载模式下的内聚力参数转换,对ABAQUS进行二次开发,形成反映疲劳累计损伤的VUMAT子程序;通过试验数据获得了Q345钢材对应的焊接区域材料内聚力参数,基于Voronoi图法、焊接区域晶粒微观形态与力学特性建立了U肋-盖板焊缝焊趾处微观晶粒组织,并与宏观二维平面应变模型合并,模拟了多尺度疲劳裂纹萌生;结合等效结构应力法和线弹性断裂力学裂纹扩展理论,考虑初始缺陷形态和疲劳断裂临界标准反推了不同应力水平下的累积内聚力长度,进而得到疲劳裂纹萌生寿命的计算方法。分析结果表明:采用提出的方法模拟U肋-盖板焊缝焊趾裂纹萌生行为时,裂纹在焊趾处萌生并垂直于顶板表面进行扩展,形成了穿晶断裂模式,微观晶粒组织应力分布随裂纹萌生及短裂纹扩展而不断变化,且随着微观晶粒组织分布和力学特性的随机性变化,仿真结果中的短裂纹扩展路径细节与临界循环次数均不相同;反推得到的累积内聚力长度随初始缺陷形状比、长裂纹扩展临界深度、微观晶粒组织分布及其力学特性以及所处应力幅值的不同产生变化,考虑上述因素获取的累积内聚力长度-等效结构应力幅拟合曲线能够获取对应的裂纹萌生寿命。由此可知,建立的多尺度疲劳裂纹萌生仿真分析方法可为钢桥面板疲劳裂纹萌生寿命的获取提供新的解决路径。

关键词：桥梁工程钢桥面板循环内聚力模型 Voronoi图法断裂力学等效结构应力法

钢桥面板纵肋与横隔板焊接细节表面缺陷及疲劳效应研究

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工程力学 2019年第3期36卷 203-213,223页

作者：黄云张清华郭亚文卜一之西南交通大学桥梁工程系四川成都610031

初始焊接缺陷是影响结构件疲劳性能的关键因素之一。在断裂力学评估框架下引入特征化初始焊接缺陷,结合相互作用积分法与复合断裂准则解决由表面缺陷所导致的复合型疲劳裂纹扩展问题,在此基础上编写裂纹扩展模拟程序,建立表面焊接缺陷... 详细信息

初始焊接缺陷是影响结构件疲劳性能的关键因素之一。在断裂力学评估框架下引入特征化初始焊接缺陷,结合相互作用积分法与复合断裂准则解决由表面缺陷所导致的复合型疲劳裂纹扩展问题,在此基础上编写裂纹扩展模拟程序,建立表面焊接缺陷效应评价方法,通过分析揭示了不同形态和尺度的初始焊接缺陷对于钢桥面板纵肋与横隔板构造细节裂纹扩展关键性度量指标和疲劳寿命预测的影响。结果表明:所建立的方法可有效用于评估焊趾部位表面焊接缺陷对于疲劳性能的效应;面状缺陷对于裂纹扩展度量指标和疲劳寿命预测结果的影响更为显著,其初始缺陷深度和形态均是影响疲劳性能的关键因素,体积型缺陷对于疲劳寿命的影响主要由深度方向的缺陷尺寸决定;焊接缺陷的形态和几何参数取值应根据工程实际和规范建议值共同确定,直接简化为面状缺陷会低估结构件的疲劳寿命;考虑焊接缺陷不确定性的可靠度评估方法尚需进一步研究。

关键词：钢桥面板焊接缺陷纵肋横隔板构造细节断裂力学应力强度因子疲劳寿命预测疲劳裂纹扩展

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钢桥面板重焊修复后残余应力数值分析

桥梁建设 2016年第5期46卷 100-104页

作者：蒋永吴冲钱骥同济大学桥梁工程系上海200092 重庆交通大学桥梁工程系重庆400074

为研究重焊修复大尺寸钢桥面板上RD裂缝(纵肋与盖板接头处贯穿桥面板的裂缝)对桥面板结构性能的影响,选取国内桥梁工程中早期较常用的12mm钢桥面板进行分析。采用ANSYS对重焊过程进行模拟,引入子结构算法分析钢桥面板重焊后的残余应力,... 详细信息

为研究重焊修复大尺寸钢桥面板上RD裂缝(纵肋与盖板接头处贯穿桥面板的裂缝)对桥面板结构性能的影响,选取国内桥梁工程中早期较常用的12mm钢桥面板进行分析。采用ANSYS对重焊过程进行模拟,引入子结构算法分析钢桥面板重焊后的残余应力,并建立重焊工艺参数与残余应力场的关系。结果表明:重焊修复钢桥面板上的RD裂缝时,残余拉应力峰值接近材料的屈服强度,焊缝区纵向残余拉应力区域宽度接近原始焊缝残余拉应力区域宽度的4倍;焊趾处纵向残余应力随开坡口长度的增加而减小、随开坡口角度的增加而增大,其与开坡口长度、开坡口角度之间均满足幂函数关系。

关键词：钢桥面板 RD裂缝重焊修复残余应力参数分析子结构算法有限元法

钢桥面板顶板与竖向加劲肋连接角焊缝疲劳试验

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河海大学学报（自然科学版） 2014年第5期42卷 433-438页

作者：田圆吉伯海杨沐野傅中秋姜竹生河海大学土木与交通学院江苏南京210098 江苏省交通运输厅工程质量监督局江苏南京210004

为研究钢桥面板顶板与竖向加劲肋连接角焊缝的疲劳性能,采用机械型振动疲劳试验机对制作的9个试件进行等幅疲劳加载,并通过名义应力和热点应力2种方法对试件焊缝疲劳性能进行评价。试验结果表明:疲劳荷载作用下,试件疲劳裂纹开展路径均... 详细信息

为研究钢桥面板顶板与竖向加劲肋连接角焊缝的疲劳性能,采用机械型振动疲劳试验机对制作的9个试件进行等幅疲劳加载,并通过名义应力和热点应力2种方法对试件焊缝疲劳性能进行评价。试验结果表明:疲劳荷载作用下,试件疲劳裂纹开展路径均从焊趾处萌生、沿焊趾开展、最终垂直于焊趾沿板横向往两侧对称扩展。采用名义应力法时,试验结果均位于JSSC-G疲劳强度为50 MPa的S-N曲线上方;采用热点应力法时,试验结果均位于Eurocode 3规范疲劳强度为100 MPa的S-N曲线上方。建议本试验构件疲劳细节的角焊缝疲劳强度取名义应力50 MPa、热点应力100MPa。

关键词：钢桥面板竖向加劲肋角焊缝疲劳试验

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钢桥面板纵肋现场对焊接头的疲劳性能

同济大学学报（自然科学版） 1998年第2期26卷 130-133页

作者：童乐为沈祖炎同济大学建筑工程系上海200092

对8个具有正交异性钢桥面板角钢纵肋现场对焊接头的试件进行了静力和疲劳试验研究，纵肋接头采用手工仰焊，考虑了纵肋对中偏差．试验结果表明纵肋对中偏差对接头的静力和疲劳性能有重要影响，经回归分析得到了疲劳强度曲线，为钢桥面... 详细信息

对8个具有正交异性钢桥面板角钢纵肋现场对焊接头的试件进行了静力和疲劳试验研究，纵肋接头采用手工仰焊，考虑了纵肋对中偏差．试验结果表明纵肋对中偏差对接头的静力和疲劳性能有重要影响，经回归分析得到了疲劳强度曲线，为钢桥面板这类接头的疲劳设计提供了依据．

关键词：钢桥面板纵肋现场焊接疲劳性能焊接接头

基于卷积神经网络的钢桥面板疲劳裂纹识别方法研究

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桥梁建设 2023年第4期53卷 62-69页

作者：石林泽程斌董华能刘天成上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240 江苏高速公路工程养护技术有限公司江苏南京211106 中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司北京100011

为准确识别钢桥面板在车辆反复荷载作用下产生的疲劳裂纹,构建了一种用于Lamb导波信号分析和疲劳裂纹扩展尺寸识别的卷积神经网络方法。该方法先用小波函数对导波信号进行卷积处理,获取导波特征,然后对时域参数和频域参数进行优化,最后... 详细信息

为准确识别钢桥面板在车辆反复荷载作用下产生的疲劳裂纹,构建了一种用于Lamb导波信号分析和疲劳裂纹扩展尺寸识别的卷积神经网络方法。该方法先用小波函数对导波信号进行卷积处理,获取导波特征,然后对时域参数和频域参数进行优化,最后运用全连接网络对导波特征与先验性裂纹尺寸信息进行学习,实现疲劳裂纹扩展过程中的裂纹尺寸智能识别。以某大跨度钢箱梁斜拉桥钢桥面板的疲劳裂纹扩展过程监测为背景,通过数值模拟和实桥测试,并与小波变换法和傅里叶变换法进行对比,验证该方法的有效性和优越性。结果表明:卷积神经网络方法提取得到的导波特征随裂纹尖端扩展的变化趋势具有明显且稳定的规律性,裂纹扩展长度识别结果与裂纹真实值之间的识别误差均在1 mm内。卷积神经网络方法适用于工程实测中导波信号处理分析,可在钢桥面板裂纹监测中推广应用。

关键词：钢桥面板疲劳裂纹监测裂纹尺寸识别导波信号卷积神经网络方法有限元法实桥测试

基于随机车辆模拟的钢桥面板焊接细节疲劳可靠度研究

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中国公路学报 2017年第11期30卷 89-98页

作者：刘扬李明邓扬王达长沙理工大学土木与建筑学院湖南长沙410114

为给钢桥面板焊接细节的设计及运营管理提供参考,针对随机车辆作用下的钢桥面板焊接细节,考虑交通量增长、车辆轴重的相关性和路表温度长期效应等因素的影响,进行了钢桥面板焊接细节的疲劳可靠度研究。基于某钢箱梁悬索桥WIM实测数据,... 详细信息

为给钢桥面板焊接细节的设计及运营管理提供参考,针对随机车辆作用下的钢桥面板焊接细节,考虑交通量增长、车辆轴重的相关性和路表温度长期效应等因素的影响,进行了钢桥面板焊接细节的疲劳可靠度研究。基于某钢箱梁悬索桥WIM实测数据,分析了随机车辆各参数的分布特征,尤其是车辆轴重的相关性,采用能考虑轴重相关性的非参数核密度估计-Copula轴重抽样方法,编制了多参数随机车辆模拟程序;采用有限元法分析了路表温度、车辆轴重的相关性对疲劳荷载效应的影响;最后建立了基于疲劳损伤理论的功能函数,采用MC法进行疲劳可靠度计算,分析了交通量增长、轴重的相关性和路表温度长期效应对钢桥面板焊接细节疲劳可靠度的影响。研究结果表明:轴重具有多峰分布的特点,且轴重之间具有较强的相关性,模拟随机车辆时,如不考虑轴重的相关性,将会造成较大误差;路表温度变化主要影响钢桥面板焊接细节的应力幅,对循环次数和考虑车轮横向位置的应力幅折减系数影响不大,考虑路表温度长期效应的日等效应力幅,概率密度函数更具有多峰性质;考虑轴重相关性的日等效应力幅均值比不考虑轴重相关性的大;交通量增长对结构初期的疲劳可靠度指标影响不大,将造成结构后期的疲劳可靠度指标快速降低;考虑轴重相关性和路表温度长期效应均会降低钢桥面板焊接细节疲劳可靠度指标,而轴重相关性对疲劳可靠度指标的影响比路表温度长期效应更明显。

关键词：桥梁工程钢桥面板 Copula函数疲劳可靠度随机车辆