趙 秋, 唐 琨, 黃冠銘, 林錚哲

(福州大學(xué) 土木工程學(xué)院,福建 福州 350116)

正交異性鋼橋面板是一種常見(jiàn)的鋼結(jié)構(gòu),它由不同的鋼構(gòu)件焊接而成,因具有自重小、抗彎及抗風(fēng)性能好、安裝便捷等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[1]。由于正交異性鋼橋面板的構(gòu)造特點(diǎn),其疲勞損傷常有發(fā)生,已經(jīng)成為大跨度鋼橋在運(yùn)營(yíng)期間的主要病害之一。疲勞裂紋多起源于焊縫,焊縫是正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)中最為薄弱的節(jié)點(diǎn),而焊接質(zhì)量是影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的關(guān)鍵因素。焊縫質(zhì)量評(píng)價(jià)規(guī)范[2]中以焊縫中存在的缺陷類(lèi)別、數(shù)量作為質(zhì)量評(píng)價(jià)的依據(jù),焊接缺陷會(huì)明顯減小結(jié)構(gòu)的有效承載面積,在缺陷周?chē)l(fā)應(yīng)力集中現(xiàn)象,導(dǎo)致裂紋的萌生及擴(kuò)展。利用各類(lèi)焊接缺陷檢測(cè)手段,結(jié)合工程實(shí)際和相關(guān)規(guī)范,文獻(xiàn)[3-4]已對(duì)焊接結(jié)構(gòu)中可能存在的各類(lèi)缺陷進(jìn)行了較詳盡的調(diào)研。根據(jù)缺陷的性質(zhì)和特征可將焊接缺陷分為體積型缺陷和面積型缺陷,其中體積型缺陷包括孔穴、固體夾雜;面積型缺陷包括裂紋、未熔合及未焊透。對(duì)接焊縫是正交異性鋼橋面板中常見(jiàn)的焊縫形式,鋼箱梁節(jié)段間的對(duì)接焊縫通常在施工現(xiàn)場(chǎng)施焊,因而焊接極易產(chǎn)生缺陷?？v肋及頂板對(duì)接焊縫主要裂紋擴(kuò)展形式有2種[5]:① 起源于焊趾位置,沿著加勁肋的板厚延伸;② 起源于焊縫中線,沿著焊喉開(kāi)裂到焊縫表面,裂紋擴(kuò)展會(huì)對(duì)鋼橋面板的疲勞性能造成嚴(yán)重的影響。

現(xiàn)有焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能評(píng)估方法有名義應(yīng)力法和熱點(diǎn)應(yīng)力法,此類(lèi)方法雖操作簡(jiǎn)便,但只能基于構(gòu)件的宏觀受力特性進(jìn)行評(píng)估,無(wú)法得到構(gòu)件在不同焊接缺陷下的具體疲勞性能表現(xiàn)。而以裂紋為研究對(duì)象的斷裂力學(xué)法[6-8]很好地填補(bǔ)了這一空白,區(qū)別于上述方法其能夠跟蹤記錄并計(jì)算裂紋每個(gè)擴(kuò)展步的步長(zhǎng)、擴(kuò)展角、應(yīng)力強(qiáng)度因子和疲勞壽命等關(guān)鍵信息,從而對(duì)缺陷致疲勞行為進(jìn)行研究,最終建立起缺陷與構(gòu)件疲勞性能的關(guān)系?；诖朔▽?duì)鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞性能的研究已有先例,文獻(xiàn)[9]以縱肋-橫隔板連接處為研究對(duì)象,建立了疲勞裂紋的三維擴(kuò)展數(shù)值模擬方法,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的可行性和有效性,在此基礎(chǔ)上對(duì)該部位三維疲勞裂紋的擴(kuò)展特性和疲勞壽命的預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[10-11]分別以縱肋與頂板、縱肋與橫隔板連接細(xì)節(jié)為對(duì)象,建立表面焊接缺陷效應(yīng)評(píng)價(jià)方法,探究了不同尺寸初始缺陷的疲勞壽命,但并未研究初始缺陷參數(shù)影響鋼橋面板對(duì)接焊縫疲勞性能的規(guī)律,因此本文基于斷裂力學(xué)并運(yùn)用有限元軟件,研究不同初始參數(shù)下缺陷對(duì)頂板及縱肋對(duì)接焊縫疲勞壽命的影響規(guī)律。

1 疲勞裂紋擴(kuò)展原理

(1)

其中:ΔKⅠ、ΔKⅡ、ΔKⅢ分別為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值;ν為泊松比。

裂紋擴(kuò)展過(guò)程中存在門(mén)檻值ΔKth及斷裂韌性值KC,ΔKeff低于門(mén)檻值則無(wú)裂紋擴(kuò)展,高于斷裂韌性值則發(fā)生快速失穩(wěn)斷裂,而在其間時(shí)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展,此區(qū)域稱(chēng)為Paris區(qū),該區(qū)域裂紋擴(kuò)展速率公式可采用修正的Paris公式,即

(2)

其中,C、m為裂紋擴(kuò)展的關(guān)鍵參數(shù),C與材料物理特性、荷載模式相關(guān),m僅與材料有關(guān)。

為提高裂紋擴(kuò)展計(jì)算的準(zhǔn)確性,將擴(kuò)展過(guò)程分為多個(gè)步驟,每一步驟需要計(jì)算裂紋擴(kuò)展的步長(zhǎng)及裂紋擴(kuò)展面方向,其中步長(zhǎng)計(jì)算公式為:

(3)

其中:ΔKi為i節(jié)點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值;ΔKmedian為裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值中位數(shù);Δai為i節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展步長(zhǎng);Δamedian為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值中位數(shù)所對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展步長(zhǎng);n通常取值為1。

明確了裂紋擴(kuò)展步長(zhǎng)后,還需對(duì)裂紋面擴(kuò)展方向進(jìn)行計(jì)算,即裂紋面擴(kuò)展角度θ的確定。目前較多采用最大周向拉應(yīng)力理論進(jìn)行計(jì)算,即

(4)

在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中,隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加,疲勞裂紋會(huì)從初始缺陷處逐漸開(kāi)始擴(kuò)展?；诮?jīng)典的Paris公式,疲勞壽命N計(jì)算公式為:

(5)

其中:a0、af分別為初始裂紋尺寸、裂紋擴(kuò)展結(jié)束時(shí)長(zhǎng)度。

2 ABAQUS與FRANC3D聯(lián)合數(shù)值模擬

FRANC3D軟件基于斷裂力學(xué)理論,能夠?qū)こ探Y(jié)構(gòu)在較復(fù)雜的載荷條件以及裂紋形態(tài)下進(jìn)行裂紋擴(kuò)展分析,FRANC3D與ABAQUS的聯(lián)合運(yùn)用在航空、車(chē)輛、造船等領(lǐng)域已經(jīng)成熟應(yīng)用[13-16]。

選擇某三點(diǎn)彎曲梁疲勞試驗(yàn)[17],對(duì)基于ABAQUS與FRANC3D所建立的聯(lián)合評(píng)估方法進(jìn)行驗(yàn)證。模型參數(shù)為:梁長(zhǎng)380 mm,梁高80 mm,梁寬10 mm,梁底部?jī)蓚?cè)支承點(diǎn)距離邊緣各30 mm,在試件底部中點(diǎn)位置開(kāi)有寬度為2 mm的槽口,槽口深度為15 mm,與水平面間的夾角分別為60°、75°,槽口根部開(kāi)有2 mm深度的尖銳缺口。

在梁頂部中間加載點(diǎn)施加疲勞荷載,最大荷載Fmax=9 kN,應(yīng)力比R=0.1,試件材料為低碳鋼,故設(shè)置材料彈性模量E=2.10×105MPa,泊松比ν=0.3,Paris裂紋擴(kuò)展參數(shù)分別為C=7.5×10-12,m=2.75,ΔKth=2 MPa·m1/2,Kc=300 MPa·m1/2。試驗(yàn)試件及植入缺陷后的有限元模型如圖1所示。

圖1 試件及有限元模型

在ABAQUS軟件中建立模型,并將“inp”文件導(dǎo)入FRANC3D軟件,使用FRANC3D劃分子模型,在槽口根部植入深度為2 mm的初始缺陷。

通過(guò)數(shù)值模擬和疲勞試驗(yàn)得到的a-N曲線對(duì)比如圖2所示。由圖2可知,模擬值與試驗(yàn)值能較好地吻合,且裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)路徑與模擬路徑基本一致,因此ABAQUS與FRANC3D聯(lián)合評(píng)估方法能較好地預(yù)測(cè)構(gòu)件的疲勞壽命以及裂紋開(kāi)裂路徑,具有較高的準(zhǔn)確性與可靠性。

圖2 模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

3 簡(jiǎn)化分析

3.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

縱肋對(duì)接焊縫疲勞細(xì)節(jié)受力與等效如圖3所示。

圖3 縱肋對(duì)接焊縫疲勞細(xì)節(jié)受力與等效

縱肋對(duì)接焊縫會(huì)隨著車(chē)輛荷載作用位置的變化而循環(huán)承受拉壓應(yīng)力,車(chē)輛荷載作用在不同位置時(shí),鋼橋面板對(duì)接焊縫應(yīng)力分布如圖3中Ⅲ所示,由圖3中Ⅲ可知,當(dāng)車(chē)輛荷載作用在圖3中Ⅰ位置① 時(shí),縱肋下翼緣對(duì)接焊縫承受壓應(yīng)力,而頂板對(duì)接焊縫承受拉應(yīng)力;作用在圖3中Ⅰ中位置② 時(shí)縱肋下翼緣對(duì)接焊縫承受拉應(yīng)力,而頂板對(duì)接焊縫承受壓應(yīng)力。根據(jù)該細(xì)節(jié)構(gòu)造特點(diǎn)以及受力特點(diǎn),可采用對(duì)接焊縫這一基本構(gòu)造進(jìn)行等效,如圖3中Ⅳ所示。

依據(jù)GB 50661—2011中表8.2.2、表8.3.2及表A.0.3擬定焊縫外觀尺寸,初始缺陷形態(tài)如圖3中Ⅱ所示,采用ABAQUS中實(shí)體單元(C3D8R)建模,材料采用Q345qD鋼材,彈性模量為2.06×105MPa,泊松比為0.3,為便于分析將焊縫和熔合區(qū)材性與母材保持一致。邊界條件設(shè)置為約束母材一端X、Y、Z方向的位移,約束另一端Y、Z方向的位移。依據(jù)JTG D64—2015附錄C中表C.0.3的構(gòu)造細(xì)節(jié)①,得到磨平余高后焊縫對(duì)應(yīng)的細(xì)節(jié)類(lèi)別值為110 MPa。采用ABAQUS模塊Load中的荷載類(lèi)型Pressure,設(shè)置荷載最小值為12.2 MPa,荷載最大值為122.2 MPa,此時(shí)應(yīng)力比為0.1,由此得到的焊縫處名義應(yīng)力幅值正好與規(guī)范細(xì)節(jié)類(lèi)別值110 MPa一致。

3.2 缺陷簡(jiǎn)化

在斷裂力學(xué)分析中,各類(lèi)缺陷評(píng)定文獻(xiàn)較多,文獻(xiàn)[18-20]建議引入半橢圓形和橢圓形分別作為表面和內(nèi)部面積型初始缺陷形態(tài),如圖4所示。

圖4 初始缺陷形態(tài)

圖4中:a0為橢圓短半軸長(zhǎng)度,即初始裂紋尺寸;c0為橢圓長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度。裂紋擴(kuò)展研究中還需確定臨界裂紋尺寸af,當(dāng)裂紋擴(kuò)展達(dá)到臨界尺寸時(shí)表明此時(shí)結(jié)構(gòu)已發(fā)生疲勞破壞。文獻(xiàn)[20]建議將板件厚度的1/2～2/3作為臨界裂紋尺寸,因此本文取板厚的1/2為臨界值。

4 表面缺陷

4.1 表面疲勞開(kāi)裂過(guò)程

采用ABAQUS與FRANC3D聯(lián)合數(shù)值模擬方法進(jìn)行疲勞計(jì)算,根據(jù)有限元建模所采用的Q345qD鋼材,并參考文獻(xiàn)[12]中給出的空氣中鋼材的疲勞裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)值,即m=2.88、C=8.32×10-12;IIW推薦鋼材裂紋擴(kuò)展參數(shù)為m=3、C=1.65×10-11;文獻(xiàn)[21]綜合考慮應(yīng)力比的影響,當(dāng)鋼材板厚為23.5 mm時(shí),m=2.67、C=1.45×10-11;文獻(xiàn)[22]指出Q345試件受3點(diǎn)彎曲荷載作用,在應(yīng)力比為0.1時(shí),其裂紋擴(kuò)展參數(shù)為m=4、C=3.25×10-12。上述文獻(xiàn)表明裂紋擴(kuò)展參數(shù)因制作質(zhì)量、板厚、應(yīng)力比的不同有一定的差異,但參數(shù)取值在一定范圍內(nèi)。折中取值擬定本文的裂紋擴(kuò)展關(guān)鍵參數(shù)為m=3,C=8.32×10-12。參考國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的門(mén)檻值,即ΔKth=2 MPa·m1/2,斷裂韌性值設(shè)置為Kc=300 MPa·m1/2。

以半橢圓形作為初始缺陷形態(tài),尺寸取為短半軸值a0=0.20 mm,長(zhǎng)半軸值c0=1.00 mm,缺陷形狀比a0/c0為0.2,并垂直于構(gòu)件表面在焊趾線中點(diǎn)處植入該缺陷。參考現(xiàn)有斷裂力學(xué)算例,為較大程度兼顧計(jì)算精度及效率,將每個(gè)裂紋擴(kuò)展步長(zhǎng)和裂尖單元環(huán)半徑分別控制在當(dāng)前裂紋特征尺寸的20%和10%,如當(dāng)引入缺陷的深度為0.20 mm時(shí),對(duì)應(yīng)裂紋擴(kuò)展尺寸為0.04 mm,裂尖單元環(huán)半徑為0.02 mm。以此類(lèi)推,因此裂紋擴(kuò)展步和裂尖單元環(huán)半徑兩者的絕對(duì)值將隨著裂紋尺寸的增大而增加。

疲勞裂紋擴(kuò)展歷程及擴(kuò)展過(guò)程中其形狀比變化如圖5所示。

圖5 疲勞裂紋擴(kuò)展形態(tài)及裂紋形狀比變化

圖5中,每一道橢圓弧線或圓弧線都代表著裂紋擴(kuò)展至該處的形態(tài),而線之間的距離即為每一步裂紋的擴(kuò)展步長(zhǎng);隨著裂紋的擴(kuò)展,其形態(tài)由初始的半橢圓形逐漸演變?yōu)榻咏雸A形。由圖5可知,隨著裂紋深度a的增加,裂紋形狀比呈現(xiàn)先快速增大后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì),并最終穩(wěn)定值約為0.88。a-N曲線如圖6所示,由圖6可知,疲勞壽命變化趨勢(shì)先緩慢后加快,當(dāng)裂紋深度a擴(kuò)展到臨界值(板件厚度的1/2)時(shí),疲勞壽命為259×104次。

圖6 表面缺陷a-N曲線

4.2 表面缺陷形狀比的影響

依據(jù)上述缺陷評(píng)定文獻(xiàn)[18-20],仍以半橢圓形作為初始缺陷形態(tài),并垂直于構(gòu)件表面在焊趾線中點(diǎn)處植入該缺陷。文獻(xiàn)[12]建議缺陷形狀比a0/c0取值為0.2,因此分別取缺陷形狀比a0/c0為0.1、0.2、0.4、0.6進(jìn)行分析。為確保裂紋能正常開(kāi)裂,取缺陷深度方向尺寸短半軸值a0分別為0.20、0.40、0.60 mm。各組缺陷植入時(shí)裂紋短軸方向應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ隨形狀比變化如圖7a所示,疲勞壽命隨形狀比變化如圖7b所示。

由圖7a可知,應(yīng)力強(qiáng)度因子隨不同形狀比缺陷的變化趨勢(shì)相同,即隨形狀比的增加而減少,并隨著短半軸長(zhǎng)度的增加而增加,不同短半軸長(zhǎng)度間存在明顯的梯度;由圖7b可知,疲勞壽命隨著缺陷形狀比的增大而增加,且各缺陷變化規(guī)律及幅度基本一致,鎖定初始缺陷短軸a0不變,缺陷形狀比從0.10增大到0.60,則長(zhǎng)半軸c0分別由2.00、4.00、6.00 mm變換到0.33、0.67、1.00 mm,壽命總增加幅度約為67.1%～110.2%,可見(jiàn)疲勞壽命對(duì)于缺陷形狀比較為敏感,并且疲勞壽命長(zhǎng)短與植入缺陷時(shí)裂紋前沿短軸方向應(yīng)力強(qiáng)度因子大小之間負(fù)相關(guān)。

4.3 表面缺陷尺寸的影響

仍以半橢圓形作為初始缺陷形態(tài),分別取焊趾中點(diǎn)與邊緣點(diǎn)這兩處代表性點(diǎn)位進(jìn)行植入。鋼橋的焊接缺陷尺寸普遍較大,因此鎖定缺陷形狀比a0/c0=0.2不變,依次選定短半軸值a0為0.20、0.35、0.50、1.00、1.50 mm,則對(duì)應(yīng)長(zhǎng)半軸值c0分別為1.00、1.75、2.50、5.00、7.50 mm。不同缺陷尺寸的疲勞壽命及缺陷植入時(shí)裂紋短軸方向的應(yīng)力強(qiáng)度因子如圖8所示。由圖8可知,中點(diǎn)及邊緣點(diǎn)處缺陷應(yīng)力強(qiáng)度因子隨尺寸的增加而增加,且兩處應(yīng)力強(qiáng)度因子大小基本一致;中點(diǎn)及邊緣點(diǎn)處缺陷疲勞壽命隨著缺陷尺寸的增加而減少,中點(diǎn)處減少幅度約為45.8%,邊緣點(diǎn)處減少幅度約為47.1%。由此可知缺陷尺寸對(duì)疲勞性能具有明顯影響,規(guī)律為缺陷尺寸越大對(duì)應(yīng)疲勞壽命越小,并且中點(diǎn)及邊緣點(diǎn)處變化規(guī)律及幅度基本一致。與4.2節(jié)相同,植入缺陷時(shí)短軸方向應(yīng)力強(qiáng)度因子越大其疲勞壽命越短。

圖8 基于表面缺陷尺寸變化的疲勞壽命

4.4 表面缺陷方向的影響

以半橢圓形作為初始缺陷形態(tài),尺寸取短半軸值a0=0.20 mm、長(zhǎng)半軸值c0=1.00 mm,即缺陷形狀比a0/c0取值為0.2。分別取焊趾中點(diǎn)與邊緣點(diǎn)這兩處代表性點(diǎn)位,以缺陷平面與植入處表面的夾角度數(shù)為研究參數(shù),通過(guò)試算發(fā)現(xiàn)當(dāng)角度小于30°時(shí)裂紋基本不擴(kuò)展,因此設(shè)置30°、45°、60°、90°這4個(gè)角度參數(shù)。不同缺陷方向的疲勞壽命及缺陷植入時(shí)裂紋短軸方向的應(yīng)力強(qiáng)度因子如圖9所示。

圖9 基于表缺陷方向變化的疲勞壽命

由圖9可知,中點(diǎn)及邊緣點(diǎn)處缺陷應(yīng)力強(qiáng)度因子隨植入角度的增加而增加,且兩處應(yīng)力強(qiáng)度因子大小基本一致;中點(diǎn)及邊緣點(diǎn)處缺陷疲勞壽命隨著植入角度的增加而減少,中點(diǎn)處減少幅度約為60.1%,邊緣點(diǎn)處減少幅度約為59.3%。由此可知,缺陷方向?qū)ζ谛阅芫哂忻黠@影響,規(guī)律為植入角度越大對(duì)應(yīng)疲勞壽命越小,并且中點(diǎn)及邊緣點(diǎn)處變化規(guī)律及幅度基本一致。因?yàn)樵摲较蚪嵌鹊淖兓秶鸀?°～90°,所以從分析結(jié)果可知,對(duì)疲勞性能最不利的缺陷角度為90°。本節(jié)得到的疲勞壽命隨缺陷方向變化規(guī)律與文獻(xiàn)[23]提出的理論相似,即材料構(gòu)件的疲勞性能與垂直于最大拉應(yīng)力平面上的缺陷投影面積成正相關(guān)。

5 內(nèi)部缺陷

5.1 內(nèi)部疲勞開(kāi)裂過(guò)程

由于內(nèi)部缺陷較表面缺陷更不易開(kāi)裂[10],為獲得更好的裂紋計(jì)算結(jié)果,依據(jù)缺陷評(píng)定文獻(xiàn)[18-20],此處將初始缺陷尺寸取為短半軸值a0=0.50 mm,長(zhǎng)半軸值c0=2.50 mm,形態(tài)為橢圓形。在焊趾處橫截面的中點(diǎn)植入該內(nèi)部缺陷,缺陷平面與構(gòu)件表面垂直。裂紋擴(kuò)展時(shí)每個(gè)擴(kuò)展步長(zhǎng)及裂尖單元環(huán)半徑的設(shè)置原則同表面缺陷,裂紋擴(kuò)展參數(shù)仍同表面缺陷分析一致。疲勞裂紋擴(kuò)展形態(tài)及裂紋形狀比變化如圖10所示,隨著裂紋的擴(kuò)展,其形態(tài)由初始的橢圓形逐漸演變?yōu)榻咏鼒A形;隨著裂紋深度的增加,裂紋形狀比呈現(xiàn)先快速增大后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì),最終值約為0.80。由此可得,裂紋垂直深度方向(缺陷長(zhǎng)軸方向)擴(kuò)展尺寸為10.0 mm(該尺寸與板厚比值為0.63)。a-N曲線如圖11所示,疲勞壽命變化趨勢(shì)為先緩慢后加快;當(dāng)裂紋深度a擴(kuò)展到臨界值(板件厚度的1/2,為8.0 mm)時(shí),疲勞壽命為2 017×103次。

圖10 疲勞裂紋擴(kuò)展形態(tài)及裂紋形狀比變化

圖11 內(nèi)部缺陷a-N曲線

5.2 內(nèi)部缺陷形狀比的影響

以橢圓形作為初始缺陷形態(tài),缺陷的植入位置同5.1節(jié)。參考4.2節(jié)取缺陷形狀比a0/c0為0.1、0.2、0.4、0.6進(jìn)行分析。為確保裂紋能正常開(kāi)裂,取缺陷深度方向尺寸短半軸值a0分別為0.50、0.60、0.70 mm。各組缺陷裂紋前沿短軸方向應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ隨形狀比的變化如圖12a所示,各組缺陷隨形狀比變化的疲勞壽命如圖12b所示。由圖12a可知,應(yīng)力強(qiáng)度因子隨不同形狀比缺陷的變化趨勢(shì)相同,即隨形狀比的增加而減少,與表面缺陷一致;由圖12b可知,疲勞壽命隨著缺陷形狀比的增大而增加,且各缺陷變化規(guī)律基本一致,鎖定初始缺陷短半軸a0不變,當(dāng)缺陷形狀比從0.10增大到0.60,疲勞壽命總增加幅度為77.2%～103.1%,可見(jiàn)疲勞壽命對(duì)于缺陷形狀比較為敏感。

圖12 不同形狀比的內(nèi)部缺陷

5.3 內(nèi)部缺陷尺寸的影響

以橢圓形作為初始缺陷形態(tài)。將缺陷植入焊趾線截面的中點(diǎn)位置,鎖定缺陷形狀比a0/c0=0.2不變,依次選定a0值為0.50、0.70、1.00、1.50、2.00 mm,則對(duì)應(yīng)c0值分別為2.50、3.50、5.00、7.50、10.00 mm。不同缺陷尺寸的疲勞壽命及缺陷植入時(shí)裂紋短軸方向的應(yīng)力強(qiáng)度因子如圖13所示。

由圖13可知,應(yīng)力強(qiáng)度因子隨缺陷尺寸的增加而增加,疲勞壽命隨缺陷尺寸的增加而減少,減少幅度約為68.9%;將疲勞壽命差值除以尺寸差值,得到疲勞壽命隨尺寸變化的平均速率為92.7×104次/mm。由此可知,缺陷尺寸對(duì)疲勞性能具有明顯影響,規(guī)律為尺寸越大對(duì)應(yīng)疲勞壽命越小。另外,通過(guò)表面缺陷尺寸影響分析結(jié)果對(duì)比可得,同等缺陷深度尺寸下,內(nèi)部缺陷比表面缺陷的疲勞壽命增加約24.3%,可見(jiàn)內(nèi)部缺陷對(duì)構(gòu)件疲勞性能的危害程度相較于表面缺陷更小。

5.4 內(nèi)部缺陷方向的影響

以橢圓形作為初始缺陷形態(tài),尺寸取短半軸值a0=0.50 mm,長(zhǎng)半軸值c0=2.50 mm。將缺陷植入沿焊趾線截面的中點(diǎn)位置,以缺陷平面與構(gòu)件頂面(或底面)的夾角度數(shù)為研究參數(shù),設(shè)置30°、45°、60°、90°這4個(gè)角度參數(shù)。不同缺陷方向的疲勞壽命及缺陷植入時(shí)裂紋短軸方向的應(yīng)力強(qiáng)度因子如圖14所示。

圖14 基于內(nèi)部缺陷方向變化的疲勞壽命

圖14中,植入角度為30°時(shí)應(yīng)力強(qiáng)度因子低于門(mén)檻值并未開(kāi)裂,此處的疲勞壽命為降低門(mén)檻值后得到的。由圖14可知,中點(diǎn)處缺陷應(yīng)力強(qiáng)度因子隨植入角度的增加而增加,總增加幅度為疲勞壽命隨著夾角度數(shù)的增加而減少,總減少幅度約為62.3%。由此可知缺陷方向?qū)ζ谛阅芫哂忻黠@影響,規(guī)律為夾角度數(shù)越大對(duì)應(yīng)疲勞壽命越小,且對(duì)疲勞性能最不利的缺陷角度為90°,同時(shí)中點(diǎn)及邊緣點(diǎn)處變化規(guī)律及幅度基本一致。

6 結(jié) 論

本文對(duì)正交異性鋼橋面板中的縱肋及頂板對(duì)接焊縫進(jìn)行了結(jié)構(gòu)等效與受力分析,得到了該細(xì)節(jié)的基本焊接構(gòu)造及對(duì)應(yīng)受力狀態(tài)。隨后分析了關(guān)于表面與內(nèi)部缺陷的疲勞開(kāi)裂特性,并分別基于形狀比、方向、尺寸等缺陷參數(shù)進(jìn)行疲勞壽命變化規(guī)律分析。具體結(jié)論如下:

(1) 基于斷裂力學(xué)理論建立的ABAQUS與FRANC3D聯(lián)合評(píng)估方法能夠較為準(zhǔn)確地模擬出裂紋擴(kuò)展深度與疲勞壽命之間的關(guān)系曲線,適用于含缺陷構(gòu)件的疲勞性能評(píng)估。

(2) 表面缺陷在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的形態(tài)由初始的半橢圓形逐漸演變?yōu)榻咏雸A形;內(nèi)部缺陷在裂紋形態(tài)由初始的橢圓形逐漸演變?yōu)榻咏鼒A形。

(3) 含不同形狀比及角度初始缺陷的試件在疲勞壽命上出現(xiàn)了顯著的差異。鎖定短半軸長(zhǎng)度,當(dāng)形狀比從0.1增加至0.6時(shí),疲勞壽命平均增加幅度分別為88.7%(表面缺陷)和90.2%(內(nèi)部缺陷);鎖定缺陷尺寸不變,當(dāng)缺陷植入角度從30°增大到90°時(shí),平均減少幅度為59.7%(表面缺陷)和62.3%(內(nèi)部缺陷)。

(4) 含內(nèi)部缺陷或表面缺陷試件的疲勞壽命對(duì)初始缺陷尺寸變化的敏感程度不同。對(duì)于表面缺陷,鎖定形狀比a0/c0=0.2不變,依次選定短半軸值a0為0.20、0.35、0.50、1.00、1.50 mm,疲勞壽命減少幅度約為46.5%,對(duì)于內(nèi)部缺陷,同樣鎖定形狀比a0/c0=0.2,短半軸值a0分別取為0.50、0.70、1.00、1.50、2.00 mm,疲勞壽命減少幅度約為68.9%。

(5) 植入不同缺陷后獲得的裂紋短軸方向應(yīng)力強(qiáng)度因子大小可在一定程度上反映疲勞壽命的差別,應(yīng)力強(qiáng)度因子越小疲勞壽命越大;反之亦然。