鋼橋面板縱肋雙面焊縫疲勞裂紋應力強度因子

　　摘 要：雙面焊有望改善頂板縱肋焊接構造細節的疲勞抗力，而初始焊接缺陷是影響該類構造細節疲勞性能的關鍵因素。基于斷裂力學理論，采用FRANC3D-ABAQUS交互技術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力強度因子。分析了焊縫熔透率、頂板厚度、初始裂紋形狀比等對雙面焊縫疲勞裂紋應力強度因子的影響規律。結果表明：鋼橋面板縱肋連接焊縫細節處疲勞裂紋為Ⅰ型主導的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ復合型疲勞裂紋;雙面焊縫頂板焊根處疲勞裂紋應力強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;焊縫熔透率對頂板縱肋雙面焊接細節疲勞裂紋應力強度因子影響較小;加厚頂板顯著降低了頂板縱肋雙面焊接細節疲勞裂紋應力強度因子;隨著初始裂紋形狀比增大，裂紋應力強度因子減小。

　　關鍵詞：鋼橋面板;雙面焊縫;有限元法;應力強度因子;疲勞性能

　　正交異性鋼橋面板(簡稱鋼橋面板)具有施工便捷、輕質高強以及環境適用性好等優點，在大跨度斜拉橋和懸索橋中得到了普遍應用[1-2]。但由于其結構復雜、焊縫多，在車輛荷載的長期作用下，焊縫幾何形狀突變或焊接缺陷等部位容易產生疲勞裂紋[3-4]。目前，鋼橋面板縱肋廣泛采用的部分熔透焊縫容易發生疲勞開裂，其中，起裂于頂板焊趾和焊根處向板厚方向擴展的疲勞裂紋較為突出，難以檢測與控制[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，研究人員針對鋼橋面板縱肋連接焊縫的疲勞開裂問題展開了大量研究。Sim等[12]對不同熔透率(40%、60%、80%)的頂板U肋焊縫進行了數值分析，結果表明，熔透率過高會導致焊縫的應力較大，從而引發疲勞裂紋。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行疲勞試驗研究，結果表明，熔透率在0%～75%之間有利于改善頂板縱肋焊接細節的疲勞耐久性。Dung等[3]通過對熔透率分別為75%和100%的鋼橋面板足尺試件進行疲勞試驗和數值分析，結果表明，熔透率為100%有利于提高頂板縱肋焊縫的疲勞性能。熔透率對鋼橋面板縱肋焊接細節疲勞性能的影響尚不明確。若在縱肋內側增加一道焊縫，能改變傳統單面焊的偏心狀態，增大熔透率，同時使焊根處未焊透部分形成封閉的剛性區，有望提高頂板縱肋連接焊縫的疲勞性能。中國學者首創了U肋內焊技術，實現頂板縱肋雙面焊接工廠化，并成功應用于沌口長江大橋、嘉魚長江大橋等實際工程[14-15]。但目前仍缺乏對雙面焊疲勞失效模式、疲勞性能等關鍵問題的研究。

　　斷裂力學在焊接鋼橋的疲勞評估中得到了廣泛應用，而應力強度因子是該方法中最主要的物理力學參量之一，決定了裂紋擴展速率[16]。對于受力模式和構造形式均較復雜的裂紋體的應力強度因子，主要通過數值方法計算得到[17]。但目前對于鋼橋面板中出現的復雜三維裂紋的應力強度因子的研究較少。筆者基于線彈性斷裂力學理論，建立了鋼橋面板三維斷裂力學有限元模型，以應力強度因子為評價指標，對比分析了頂板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、初始裂紋形態對雙面焊接細節裂紋應力強度因子的影響規律。

　　1 應力強度因子計算理論

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

　　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是裂紋前緣函數值;W(1，2)為相互作用應變能密度，定義為

　　W(1，2)=σ(1)ijε(2)ij=σ(2)ijε(1)ij(2)

　　式中：σij是應力張量;εij是應變張量;上標1、2分別代表實際場和輔助場。

　　M-積分與材料屬性以及應力強度因子K之間的關系為

　　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)通過有限元計算得到。

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

　　為驗證FRANC3D-ABAQUS求解疲勞裂紋應力強度因子K的準確性與可行性，以含半橢圓表面裂紋的有限厚度板為研究對象，建立三維斷裂力學有限元模型來計算裂紋應力強度因子，如圖2所示。將不同半橢圓表面裂紋參數的應力強度因子計算結果與Raju-Newman手冊[19]的理論值進行對比，如圖3所示。結果表明，有限元計算結果與理論值較吻合，最大相對誤差小于2.0%，表明基于FRANC3D-ABAQUS計算三維斷裂問題的裂紋應力強度因子可行，具有較高的精度。

　　2 頂板縱肋雙面焊接構造

　　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”構造(如圖4所示)導致其疲勞開裂突出的本質特性，中國的研究者研發了自動化U肋內焊技術，在傳統單面焊接構造的基礎上，通過智能化機器人自動化焊接技術在U肋內部增加一道角焊縫而形成新型雙面焊接構造，如圖5所示。雙面焊構造使焊根處未熔透部分形成了封閉的剛性區，有望解決萌生于焊根處的疲勞裂紋，但引入的內焊縫也可能成為新的疲勞裂紋源。因此，以文獻[22]中的幾種裂紋形式來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個橫隔板、5個U肋的鋼橋面板節段模型。頂板U肋連接焊縫分別為傳統單面焊和新型雙面焊，頂板與焊縫的夾角參數α1、α2、β1分別為45°、45°和55°，焊縫高度參數h1、h2、h3均為8 mm，焊縫熔透率為80%(焊縫未熔透長度為6.4 mm)，頂板與U肋裝配間隙參數g為0.5 mm。鋼橋面板節段構造及焊接構造細節如圖7所示。

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