14MnNbq焊接件全范围疲劳裂纹扩展性能研究

由试验获得桥梁用钢14MnNbq焊接件的疲劳裂纹扩展da/dN、ΔK数据点及其疲劳门槛值ΔKth,断裂韧性Kc近似采用相同厚度母材试样得到的结果。采用四参数Forman公式利用多元线性回归法拟合试验数据,给出了14MnNbq焊接件的全范围疲劳裂纹扩展的表达式。在应力比R=0.05,0.25,0.50条件下Forman公式拟合曲线与试验数据吻合较好;相对于母材而言,在疲劳开裂和稳定扩展初期焊接件疲劳裂纹扩展速率较高。     

钢桥面板纵肋顶板焊缝疲劳裂纹扩展的关键影响因素

正交异性钢桥面板疲劳问题突出，纵肋与顶板焊缝处是其关键疲劳易损部位，研究该部位疲劳裂纹的扩展过程并确定关键影响因素及其效应，有助于深刻理解其疲劳损伤机理。建立正交异性钢桥面板疲劳试验节段模型的有限元分析模型，将纵肋与顶板焊缝焊根处的疲劳裂纹近似为半椭圆形裂纹，基于断裂力学实现其扩展全过程的三维数值模拟。在此基础上研究初始裂纹的纵向位置和初始裂纹形状对疲劳裂纹扩展过程的影响，阐明扩展过程中的疲劳裂纹的形状变化，以及疲劳裂纹关键部位应力强度因子幅值的变化规律。研究表明：对于典型的正交异性钢桥面板纵肋与顶板焊缝，在纵向一段范围内，初始裂纹的纵向位置对裂纹扩展的影响不大；初始裂纹形状对裂纹扩展的影响主要体现在裂纹扩展的初始阶段，经过一段时间的扩展之后，不同形状的初始裂纹将演变为相对稳定的形状；持续一段时间后，裂纹将逐渐变得较为扁长；疲劳裂纹在深度方向上扩展超过约顶板厚度一半时，最深点的扩展速率将会减慢；深度相同的裂纹，形状越扁长时越倾向于向深度方向扩展，越不扁长时越倾向于向长度方向扩展。     

细晶粒渗碳齿轮钢的疲劳性能

本文利用旋转弯曲疲劳试验方法,研究工业电炉＋炉外精炼流程生产的两种齿轮钢的疲劳性能。研究结果表明,由于细小的Nb（C,N）析出相在奥氏体晶界起钉扎作用,20CrMoNbH渗碳齿轮钢渗碳层原奥氏体晶粒平均尺寸为16μm,明显细于20CrMoH钢的26μm。20CrMoNbH钢渗碳试样的疲劳强度极限值为1085MPa,高于20CrMoH钢的995MPa。观察疲劳试样断口发现,疲劳裂纹起源于渗碳层,并沿原奥氏体晶界扩展,细化渗碳层晶粒有利于提高疲劳裂纹扩展阻力,因此改善疲劳性能。     

高疲劳抗力钢桥面板的疲劳问题Ⅰ：模型试验

正交异性钢桥面板的疲劳开裂问题是制约桥梁工程可持续发展的关键难题，亟需发展具有高疲劳抗力的正交异性钢桥面板。同时引入纵肋与顶板新型双面焊构造细节和纵肋与横隔板新型交叉构造细节2类构造细节，提出了一种高疲劳抗力钢桥面板，设计了2个足尺节段模型，通过模型试验确定了纵肋与顶板传统单面焊构造细节和新型双面焊构造细节的疲劳开裂模式和疲劳性能，采用扫描电子显微镜（SEM）确定了单面焊构造细节焊根和双面焊构造细节焊趾的初始微裂纹尺度；研究了纵肋与横隔板传统交叉构造细节和新型交叉构造细节的疲劳开裂模式。研究结果表明：纵肋与顶板传统单面焊构造细节的疲劳裂纹起裂于顶板焊根并沿顶板厚度方向扩展，其疲劳强度为98.7 MPa，新型双面焊构造细节的疲劳裂纹起裂于顶板内侧焊趾并沿顶板厚度方向扩展，其疲劳强度为123.2 MPa；传统单面焊构造细节焊根的初始微裂纹尺度显著大于新型双面焊构造细节焊趾的初始微裂纹尺度，初始微裂纹尺度的差异是2种开裂模式的疲劳抗力存在显著差异的主要原因；纵肋与横隔板传统交叉构造细节的疲劳裂纹起裂于纵肋腹板焊缝端部焊趾并沿纵肋腹板扩展，新型交叉构造细节的疲劳裂纹起裂于纵肋底板焊缝端部焊趾并沿纵肋底板扩展，2类构造细节的起裂次数基本一致，但新型交叉构造细节的疲劳裂纹扩展速率远低于传统构造细节；相同加载条件下，高疲劳抗力钢桥面板结构体系的疲劳寿命显著优于传统钢桥面板结构体系。     

钢桥面板纵肋双面焊构造疲劳裂纹扩展特性研究

正交异性钢桥面板纵肋构造细节疲劳危害严重，修复困难，传统单面焊构造疲劳抗力不足是导致该部位疲劳开裂频发的主要原因。采用双面焊构造可望显著提高该构造细节的疲劳抗力，而初始焊接缺陷是该类构造细节疲劳抗力的关键影响因素。以双面焊构造为研究对象，基于线弹性断裂力学理论，建立多裂纹扩展模拟方法，通过多裂纹扩展试验验证该方法的可行性；在此基础上，对焊根处存在单一和多个初始缺陷条件下构造细节疲劳裂纹扩展特性进行研究。结果表明：外侧焊根单裂纹、内侧焊根单裂纹与焊根多裂纹扩展模式均为Ⅰ型开裂主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹扩展模式；多裂纹扩展特性并不显著，多裂纹在扩展初期由于临近裂纹等效应力强度因子幅值的迅速降低而转变为单一裂纹，此后其扩展规律与外侧焊根单裂纹扩展规律基本一致；3种裂纹在扩展初期裂纹形状比变化规律存在差异，但随着扩展深度的增加，等效应力强度因子幅值下降段变化规律基本一致，裂纹扩展达到一定深度后均呈扁平状且随扩展深度增加扁平状趋势更加显著；外侧焊根处的单一缺陷是控制钢桥面板纵肋双面焊构造疲劳抗力的主要缺陷，制造时应采取有效措施避免这类缺陷。     

钢桥面铺装修复界面疲劳特性试验

为研究钢桥面沥青铺装坑槽病害修复界面的疲劳性能,定量评价病害修复界面的修复效果,采用改进的Overlay Tester试验方法进行钢桥面铺装材料疲劳断裂试验。选取完好的Overlay Tester试件、含有初始裂缝的Overlay Tester试件和切割后进行黏接的Overlay Tester试件3种状态,分别采用传统的评价标准（荷载降低93%）、特定周期数和荷载降低75%三个评价标准进行分析,试验过程中采用高清视频记录裂缝扩展过程。建立基于荷载-周期曲线的疲劳方程,分析了疲劳破坏特征及裂缝扩展过程,提出了裂缝扩展速率、疲劳断裂能和裂缝完全贯穿时的周期3个量化评价指标。研究结果表明：不同状态下Overlay Tester试件的荷载-周期均呈幂函数关系;修复界面疲劳断裂过程复杂,微观层面的集料形状对裂缝扩展的路径有显著影响;考虑疲劳过程的疲劳断裂能和裂缝完全贯穿时的周期2个指标修复效果小于表征单次加载断裂的裂缝扩展速率计算的修复效果,更符合实际工程应用效果。     

客车底盘焊接接头疲劳裂纹扩展速率研究

研究ＥＱ１１７０ＫＡ城市客车底盘焊接接头疲劳裂纹扩展速率的规律结果表明：焊接接头各部位疲劳裂纹扩展速率ｄａ／ｄＮ与应力强度因子（ΔＫ）之间符合Ｐａｒｉｓｅ公式；焊接接头不同部位的疲劳裂纹扩展速率各不相同，主要受组织和焊接残余应力的影响；并且母材的裂纹扩展速率最快，热影响区次之，焊缝裂纹扩展速率最慢。疲劳裂纹扩展速率主要受组织和焊接残余应力的影响。     

钢桥面板-肋双面焊构造细节疲劳失效模式研究

设置高疲劳抗力构造细节是提升钢桥面板疲劳寿命的有效途径之一,以一种钢桥面板-肋双面焊构造细节为研究对象,基于线弹性断裂力学原理,利用ABAQUS有限元软件建立了该细节疲劳裂纹扩展子模型,研究了疲劳加载工况下各裂纹萌生点处初始裂纹扩展能力.同时通过应力强度因子幅值对比分析,进一步确定了该钢桥面板-肋双面焊构造细节主导疲劳失效模式.     

钢桥面板纵肋对接焊缝疲劳裂纹扩展特性及加固方法研究

针对钢桥面板纵肋对接焊缝中典型的疲劳开裂情况,为研究萌生于该处的疲劳裂纹在后期扩展过程中所表现的特征,以及根据其扩展机理采用在纵肋底板栓接钢板的加固效果的评估,利用Ansys软件建立了纵肋对接焊缝处的疲劳裂纹有限元模型,采用相互作用积分与有限元相结合的方法得到的裂纹前缘应力强度因子来对研究对象进行分析。结果表明:纵肋对接焊缝处疲劳裂纹的扩展过程中Ⅰ型应力强度因子KⅠ与等效应力强度因子Keff之间数值差距很小,Ⅰ型(张开型)开裂模式在扩展过程中占主导地位;Ⅰ型应力强度因子KⅠ随着裂纹扩展尺寸的增加一直处于增大的趋势,由于应力强度因子是裂纹扩展速率的主要参量,疲劳裂纹扩展速率随着裂纹扩展的进行而逐渐增大;通过对纵肋底板栓接钢板加固措施的理论分析,该加固方法能够大幅改善纵肋对接焊缝疲劳裂纹前缘的应力强度因子,使疲劳裂纹的扩展得到有效控制。     

沥青混合料预缺口试件直接拉伸疲劳损伤分析

为了研究沥青混合料疲劳损伤断裂特性,应用断裂力学积分守恒定律,提出一种关于沥青混合料对称边缺口试件拉伸疲劳损伤的封闭解法,并根据有限元计算与有关试验结果的对比,确定了合适的试件缺口处应力集中系数和沥青混合料疲劳损伤特性参数,同时证明了在拉伸疲劳试验情况下所提出的沥青混合料非线性疲劳损伤模型的有效性.根据非线性有限元计算,分析了沥青混合料含缺口试件拉伸疲劳损伤开裂、裂纹扩展过程,讨论了不同阶段试件内部损伤度、拉应力的分布规律,以及它们和试件位移、疲劳寿命随预制裂纹起裂、扩展的变化规律.研究结果表明:基于疲劳损伤有限元和Paris公式的沥青混合料含缺口拉伸试件的疲劳损伤分析结果与直接拉伸疲劳试验结果基本一致,但基于Paris公式的计算结果无法反映试件在起裂和扩展初期阶段裂纹扩展速率的变化情况.     

超大跨径斜拉桥钢桥面板疲劳损伤监测与断裂力学研究

为研究超大跨径斜拉桥钢桥面板的疲劳损伤问题,本文以某斜拉桥为工程背景,对实桥进行了现场疲劳损伤监测与分析,并基于断裂力学的三维裂纹扩展模型,对钢箱梁顶板-U肋和横隔板-U肋等焊接细节进行了数值仿真与研究。结果表明：实桥顶板-U肋焊缝细节高应力幅(大于10MPa)循环次数与疲劳损伤度明显低于横隔板-U肋细节,横隔板-U肋焊缝最大应力幅达到75~90MPa,顶板-U肋焊缝最大应力幅为15~30MPa,横隔板-U肋焊缝细节处裂纹数量远大于顶板-U肋焊缝细节处裂纹数量;顶板-U肋焊缝裂纹在扩展过程中基本保持平面,裂纹扩展有先沿焊缝方向纵向扩展,再向深度方向扩展的趋势;横隔板-U肋焊缝焊趾处裂纹先沿初始裂纹深度方向在横隔板扩展,再向横隔板厚度方向扩展,焊趾处裂纹先向U肋厚度方向扩展,后沿初始裂纹长度方向顺桥向扩展;在初始裂纹尺寸与荷载条件相同的情况下,顶板-U肋焊缝焊趾处裂纹扩展速度大于焊根处裂纹扩展速度,横隔板-U肋焊缝焊趾处裂纹扩展速率大于横隔板焊趾处裂纹扩展速率。     

正交异性钢桥面板纵肋与横隔板交叉构造细节疲劳开裂快速加固方法

为研究钢桥面板疲劳开裂局部区域引入钢或高性能材料加固构件的装配式加固方法,以钢桥面板纵肋与横隔板交叉构造细节为研究对象,采用足尺模型试验对钢桥面板纵肋与横隔板交叉构造细节疲劳性能劣化及其疲劳开裂的栓接角钢装配式快速加固相关关键问题进行了试验和理论研究;基于断裂力学探究了纵肋与横隔板交叉构造细节三维疲劳裂纹的扩展特性、疲劳寿命预测及装配式快速加固方法的加固效果。研究结果表明：纵肋与横隔板交叉构造细节的疲劳裂纹萌生于焊趾并沿纵肋腹板进行扩展,其对结构力学特性的影响范围和程度随着裂纹的扩展而逐步加剧;加固后相应开裂部位关键测点和裂尖各测点的应力应变降幅分别达57%和80%,装配式加固构件与既有结构协同受力性能良好,能够有效抑制局部疲劳裂纹扩展;数值断裂力学分析表明,加固后裂尖应力强度因子降幅达90%,可有效抑制疲劳裂纹的进一步扩展。     

钢桥面板纵肋-顶板焊缝细节疲劳裂纹的应力强度因子分析

为研究正交异性钢桥面板纵肋-顶板焊缝位置的疲劳裂纹扩展特性,以某钢箱梁斜拉桥为工程背景,基于线弹性断裂力学与扩展有限元方法,通过ABAQUS软件建立纵肋-顶板三维裂纹扩展模型,引入半椭圆初始裂纹,对焊根与焊趾裂纹尖端的应力强度因子进行分析.分析结果表明,在车辆荷载的作用下,纵肋-顶板连接细节的疲劳裂纹是以Ⅰ型为主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹;裂纹在横向位于车轮正下方,纵向位于两车轴中间时,疲劳裂纹扩展趋势最大;在车辆经过裂纹附近2 m范围内时,应力强度因子在最值间波动,对裂纹扩展产生较大影响.     

正交异性钢桥面板疲劳寿命设计优化研究

采用有限元计算方法,对某大桥钢桥面铺装在采用钢-UHPC超轻型组合梁优化前后的钢箱梁节段正交异性钢桥面板的主要连接接头进行了分析,研究了在轮轴荷载作用下主要疲劳裂纹的控制应力的分布特征及应力影响面,建立了较全面的荷载作用与应力效应的对应关系,并由此推算出实桥在设计疲劳荷载作用下的应力历程及相应的应力谱。针对设计疲劳寿命周期内的正交异性钢桥面板的各构造细节,根据Miner疲劳损伤累积理论计算出相应的疲劳累积损伤,并对其疲劳寿命进行评估。采用普通钢桥面铺装时,靠近顶板与U肋、U肋与横隔板连接处的主要疲劳裂纹,其疲劳累积损伤度在设计使用寿命周期内均大于1,存在较高的疲劳开裂风险。经钢-UHPC超轻量组合桥面板设计优化后,顶板与U肋连接处抗疲劳性能改善效果显著,在大桥设计寿命周期内可满足抗疲劳设计的使用要求;但设计优化对横隔板-U肋-顶板连接处的抗疲劳性能影响有限,在设计使用寿命周期内,疲劳裂纹C.5、C.6、C.6.1、C.7仍存在较高的开裂风险,需引起重视。     

正交异性钢桥面板足尺疲劳试验

以某大跨径斜拉桥采用的正交异性钢桥面板为工程背景,进行钢桥面板疲劳性能试验研究,足尺疲劳试验循环次数累积达到1 020万次.试验结果表明:加劲肋与盖板连接部位出现了纵向疲劳裂纹;加劲肋与横隔板连接的焊缝端部出现了在焊趾处萌生并沿加劲肋腹板扩展的疲劳裂纹;受焊接残余应力影响,处于疲劳荷载压应力区的腹板与横隔板连接焊缝端部也萌生了疲劳裂纹;横隔板挖孔部位无疲劳裂纹;若以测点应力发生变化为疲劳失效判据,则加劲肋与横隔板连接端部的疲劳细节高于AASHTO中D类和Eurocode的63类细节等级,加劲肋与盖板连接的疲劳细节高于AASHTO中D类和Eurocode的71类细节等级;若以出现疲劳裂纹为疲劳失效判据,则其疲劳细节高于AASHTO规范中D类和Eurocode的80类细节等级.     

基于断裂力学的CFRP加固桥梁疲劳裂纹扩展研究

在线性渐进叠加假定的基础上,对碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢筋混凝土桥梁的疲劳裂纹扩展速率进行理论分析,在裂纹扩展模型表达式的基础上,通过分析三点弯曲梁应力强度因子与等效裂缝长度之间的关系,求得裂纹扩展速率,进而对CFRP加固桥梁的疲劳寿命进行预估算研究;同时进行了CFRP加固桥梁疲劳裂纹扩展试验研究,通过单、双层CFRP加固试验梁沿布长方向的应变累积分析,阐述了荷载作用下加固梁裂纹扩展速率和扩展行为。结果表明:加固梁在疲劳荷载作用下,CFRP充分发挥了其抗疲劳特性;从理论计算结果与试验值对比情况看,CFRP加固钢筋混凝土桥梁疲劳寿命估算理论计算方法误差较小,满足实际需求。     

环氧沥青混凝土钢桥面铺装疲劳寿命研究

基于钢桥面铺装的裂缝特点及断裂力学理论,引入裂纹尖端位移CTOD参数研究了钢桥面铺装环氧沥青混凝土裂纹扩展阶段的疲劳演化规律。考虑材料的不均匀性,试验采用切口三点弯曲梁试验方法,在MTS试验系统上进行了3组钢桥面铺装复合梁的疲劳试验,定义了三点弯曲梁方法中环氧沥青混凝土的裂纹起裂点和疲劳破坏点。研究结果表明:环氧沥青混合料的疲劳寿命与断裂韧度有很好的相关性。通过拟合试验结果而建立的以CTOD为参数的预测模型可以方便地预测钢桥面铺装环氧沥青混凝土裂纹扩展阶段的疲劳寿命。     

基于Lamb导波深度学习的钢桥面板疲劳裂纹智能监测研究

正交异性钢桥面板疲劳开裂问题突出，传统方法难以实现有效监测，可采用对钢结构裂纹高度敏感的Lamb导波信号进行裂纹监测。考虑Lamb导波在钢桥面板上的不同传播方式，建立钢桥面板有限元模型，并开展导波传播数值模拟；通过连续小波变换提取得到导波的主要特征，并运用深度学习技术挖掘导波特征中的疲劳裂纹信息，实现对钢桥面板疲劳裂纹的智能监测。结果表明：导波纵向和横向传播模式下的导波特征均能很好反映各类裂纹的影响，且2种传播模式之间可实现裂纹监测需求的有效互补；经过学习训练后的深度置信网络可实现对4 mm及以上长度裂纹的高准度识别，对裂纹深度的测量误差也在1 mm以内。研究成果为Lamb导波传感技术在钢桥面板疲劳裂纹监测中的应用提供了重要依据和方法参考。     

钢桥面板纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹扩展三维模拟方法

为了深刻认识正交异性钢桥面板的疲劳特性,准确评估其疲劳抗力,对纵肋与顶板焊接细节进行了三维疲劳裂纹扩展模拟。提出了一种主要针对椭圆或半椭圆形疲劳裂纹的扩展模拟方法,采用相互作用积分法计算裂纹尖端处的应力强度因子K,作为三维裂纹模拟的基本参量。以青山长江公路大桥正交异性钢桥面板疲劳试验节段模型为研究对象,将纵肋与顶板焊接细节处的疲劳裂纹近似为单个半椭圆形裂纹,对其扩展过程进行三维模拟,通过试验结果验证了所提方法的有效性。在此基础上将初始裂纹分别设置于焊根和顶板焊趾,探讨了顶板厚度和U肋形式对于纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹扩展特性的影响问题。研究结果表明：所提出的方法能够准确模拟纵肋与顶板焊接细节疲劳裂纹的扩展过程,适用于其疲劳问题研究;增加顶板厚度能够有效改善纵肋与顶板焊接细节处的疲劳性能;相对于传统纵肋与顶板焊接细节而言,顶板与镦边U肋焊根和焊趾处的疲劳裂纹扩展特性和疲劳抗力没有显著差别,顶板与镦边U肋焊缝构造细节难以显著改善焊根和顶板焊趾处的疲劳性能;萌生于焊根并向顶板扩展的疲劳失效模式是控制传统纵肋与顶板焊接细节和顶板与镦边U肋焊缝构造细节疲劳性能的主导疲劳失效模式。     

钢桥面板纵肋对接焊缝疲劳开裂主动加固方法研究

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。