钢桥面板纵肋-横隔板焊缝双裂纹协同扩展研究

技术专业文章：钢桥面板肋横隔板焊缝协同疲劳扩展行为研究


摘要

为深入探讨钢桥面板肋横隔板焊缝（RF 焊缝）区的多裂纹协同疲劳扩展行为，研究基于FRANC3DABAQUS 交互技术，构建了钢桥面板RF 细节疲劳裂纹的数值分析模型，对比分析RF 焊缝部位U 肋焊趾处、横隔板焊趾处以及弧形切口自由边处裂纹的应力强度因子变化趋势。研究结果显示：

1. U 肋焊趾处和横隔板焊趾处裂纹为I 型主导的I II III型复合裂纹。在弧形切口自由边处，裂纹表现为Ⅱ Ⅲ型复合型，对应应力强度因子始终为负，并且低于材料的应力强度因子阈值。




2. 随着U 肋焊趾处穿透裂纹长度的增加（从0 mm 增长至25 mm），横隔板焊趾处的初始裂纹应力强度因子呈现减小趋势，而弧形切口自由边处的裂纹应力强度因子基本保持不变。

3. 对于横隔板焊趾处破裂导致的裂纹增长，U 肋焊趾处的应力强度因子存在先减小后增大的现象（在10 mm 时达到最小值），且该增长导致弧形切口自由边上的裂纹减小。

4. 研究发现，弧形切口自由边处的裂纹在应力强度因子上的变化趋势与U 肋焊趾处不同，其对于HF 肋焊趾处的裂纹应力强度因子影响较小，但横隔板焊趾处裂纹扩散会增强弧形切口处的裂纹发展，并且减小其稳定性。

关键词


桥梁工程


断裂力学


正交异性板


应力强度因子


引言

正交异性钢桥面板因其自重轻、极限承载力大、应用广泛以及施工便利等特点，在大跨径斜拉桥和悬索桥中普遍作为主梁材料。随着桥面板服役时间的延长，钢桥面板焊缝发生疲劳裂纹问题开始显现。已有研究报道，纵肋与横隔板焊缝处的裂纹占钢桥面板疲劳裂纹总数的相当比例（56.3%），是影响正交异性钢桥面疲劳耐久性的主要细节之一。

近年来，国内外学者及研究人员专研RF焊缝的疲劳裂纹开裂问题，通常在裂纹扩展数值模拟过程中进行了简化，难以捕捉裂纹扩展的三维空间轨迹。现有文献已建立了基于线弹性断裂理论的三维疲劳裂纹扩展模拟方法，以及利用扩展有限元方法在三维空间中分析FR疲劳敏感细节的静动态行为，考虑了焊接残余应力对RF细节疲劳裂纹类型的影响。

本文在断裂力学的疲劳扩展理论基础上，结合FRANC3D和ABAQUS交互技术，构建了桥梁面板节段模型，插入不同长度和角度的裂纹以研究临近区域疲劳细节的损伤演化，进而探讨RF焊缝疲劳开裂过程中的协同作用机制。

三维裂纹应力强度因子理论及方法


M积分计算应力强度因子

应力强度因子是评估裂纹结构断裂可能性和计算裂纹扩展速率的关键参数，裂纹尖端变形可分为I型（张开型）、II型（滑开型）和III型（撕开型），对应的应力强度因子分别为σ1、σ2、σ3。Yau等提出从J积分中衍生出M积分，FRANC3D标准实践利用M积分结合能量释放率相等的平衡方程来求得应力强度因子，综合使用材料属性、裂纹尖端应力以及位移数据来计算能量释放率，并据此计算真实应力强度因子。

FRANC3D与ABAQUS交互使用

FRANC3D是一款美国FAC公司开发的裂纹扩展分析软件，适用于复杂工程结构裂纹的扩展和疲劳寿命预测。在裂纹扩展过程中，FRANC3D能够快速高效地进行网格划分，确保网格质量和裂纹扩展的真实性。由于FRANC3D不具备有限元模型求解功能，因此采用将其与ABAQUS软件交互使用的策略。ABAQUS负责构建模型，FRANC3D插入裂纹并合并模型至ABAQUS以进行求解，最后利用ABAQUS中的M积分计算得出应力强度因子。

可行性验证

为了验证FRANC3D与ABAQUS交互使用计算应力强度因子的可行性，构建了一个边长为100 mm的立方体有限元模型，定义Q345钢的材料属性，包括弹性模量E = 210 Gpa和泊松比v = 0.3。模型上下表面分别施加100 MPa的均匀拉力。在立方体中央插入半径为3 mm的圆形裂纹，确保裂纹与均布荷载方向垂直。比较计算结果和理论应力强度因子值（基于式（9）计算的理论值），验证了FRANC3D与ABAQUS交互使用计算应力强度因子的精度。

有限元模型


工程概况

选取一座主跨长度为350米的大跨径悬索桥作为研究对象，其主要梁采用正交异性板结构。详细结构包括正交异性板顶板厚16 mm，U肋上口宽300 mm，下口宽170 mm，厚度为10 mm，横向间距为600 mm；横隔板厚度为10 mm，纵向间距为300 mm。研究中重点布置了五个U肋和四个横隔板的正交异性钢桥面板节段模型。

RF焊缝采用角焊缝形式，焊角尺寸为6 mm。横隔板的弧形切口尺寸包含在模型设计中，详细尺寸见图3。

使用ABAQUS建立壳实体节段模型，横向包含五个U肋，纵向包含四个横隔板，整体采用壳单元建模。在跨中第2个横隔板处建立长宽高为600 mm ×600 mm ×556 mm的实体单元模型，实现壳单元与实体单元的连接。节段模型的各部分分别采用壳单元S4R和实体单元C3D8R表示，网格尺寸精化以满足计算要求。

荷载施加

研究员按照公路钢结构桥梁设计规范中的疲劳荷载计算模型III施加计算荷载源，考虑横向和顺桥向的应力影响范围小且车轴和轮重的应力叠加可以忽略，采用后轴单侧双轮（60 + 60）kN共加载。单轮应力分布面积选取0.2 m ×0.6 m，反映桥面铺装层的扩散效果，在有限元模型上取0.3 m ×0.7 m。利用文献中的车辆轮轴加载方法，横桥向轮载均匀分布在U3右侧焊缝两侧，顺桥向两轮平均分布在横隔板H2两侧，如图5所示。

疲劳细节的选取

通过实桥裂纹检测与足尺试验的数据对比，研究发现钢桥面板RF焊缝区裂纹主要集中于以下位置：

1. U肋横隔板连接处U肋焊趾区域（图6a中的AA'）。


2. U肋横隔板连接处横隔板焊趾区域（图6a中的BB'）。


3. 横隔板弧形切口的自由边缘（图6b中的CC'）。


通过统计实工程数据发现，各细节部位裂纹长度范围为：


U肋横隔板连接处U肋焊趾处裂纹长度：5 到 25 mm


U肋横隔板连接处横隔板焊趾处裂纹长度：10 到 100 mm

横隔板弧形切口自由边处裂纹长度：10 到 150 mm，且旋 阿 率与水平方向夹角范围为0°到50°。

不同裂纹长度下的RF细节疲劳裂纹应力强度因子分析


裂纹插入位置拟定

采用FRANC3D在RF焊缝的U肋焊趾处、横隔板焊趾处和横隔板弧形切口自由边处插入初始椭圆裂纹（裂纹深度a = 2 mm，宽度c = 4 mm），并分别插入水平的穿透裂纹（横隔板焊趾处/横隔板弧形切口自由边处，长度l为20、40、60、80、100 mm）与U肋焊趾处（长度l为5、10、15、20、25 mm），研究穿透裂纹长度对临近初始裂纹对应的疲劳细节的应力强度因子的影响。

U肋焊趾处裂纹应力强度因子分析

通过插入裂纹，分析在U肋焊趾处初始裂纹及横隔板焊趾处的数学表达模型及其对U肋焊趾处裂纹应力强度因子的变化。如图9所示，U肋焊趾处初始裂纹应力强度因子随着横隔板焊趾处穿透裂纹长度的变化趋势呈现先减小后增大的现象。当穿透裂纹长度较小时，初始裂纹中点处应力强度因子减小（例如减少至92.1），随着穿透裂纹增长至一定长度时达到最大值约105.8。总体而言，应力强度因子随横隔板穿透裂纹的增加呈现波动趋势。

横隔板焊趾处裂纹应力强度因子分析

与U肋焊趾处类似，对横隔板焊趾处初始裂纹及U肋焊趾处穿透裂纹进行数值仿真分析（图13），直观展现出横隔板焊趾处初始裂纹应力强度因子随U肋焊趾处穿透裂纹增加而逐渐降低的特性。初步分析表明，U肋处的裂纹增长对横隔板焊趾处裂纹扩展起到抑制作用，而横隔板焊趾处的裂纹增长则显示对U肋焊趾处裂纹扩展产生促进效果。

本文采用断裂力学的理论框架结合ABAQUS与FRANC3D的交互技术，通过构建假设模型模拟不同裂纹条件下钢桥面板RF焊缝的协同疲劳扩展，所得关键发现包括：

1. U肋焊趾和横隔板焊趾处裂纹特性表现为I型裂纹主导的IIIIII型复合型，Ⅱ型和Ⅲ型应力强度因子相对较小；弧形切口自由边处裂纹应力强度因子始终为负值，并且始终小于材料的极限应力强度容量。

2. U肋焊趾处的穿透裂纹增长与横隔板焊趾处初始裂纹应力强度因子的变化表现出亲和关系，表明U肋处的裂纹扩展影响着横隔板位置的裂纹进展。

3. 横隔板焊趾处的裂纹增加显示U肋焊趾处裂纹应力强度因子减小，而弧形切口自由边的裂纹增加对横隔板焊趾处的初始裂纹应力强度因子有促进作用。

结合上文分析，本研究对于理解钢桥面板RF焊缝区域的多裂纹协同扩展行为提供了深入洞察，为后续的模型优化和工程应用提供了科学依据。

武汉格发信息技术有限公司，格发许可优化管理系统可以帮你评估贵公司软件许可的真实需求，再低成本合规性管理软件许可,帮助贵司提高软件投资回报率，为软件采购、使用提供科学决策依据。支持的软件有: CAD,CAE,PDM,PLM,Catia,Ugnx, AutoCAD, Pro/E, Solidworks ,Hyperworks, Protel,CAXA,OpenWorks LandMark,MATLAB,Enovia,Winchill,TeamCenter,MathCAD,Ansys, Abaqus,ls-dyna, Fluent, MSC,Bentley,License,UG,ug,catia,Dassault Systèmes,AutoDesk,Altair,autocad,PTC,SolidWorks,Ansys,Siemens PLM Software,Paradigm,Mathworks,Borland,AVEVA,ESRI,hP,Solibri,Progman,Leica,Cadence,IBM,SIMULIA,Citrix,Sybase,Schlumberger,MSC Products...