鋼橋面板焊縫疲勞裂紋擴展規律與開裂失效機理研究

《鋼橋面板焊縫疲勞裂紋擴展規律與開裂失效機理研究》是依託河海大學，由吉伯海擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：鋼橋面板焊縫疲勞裂紋擴展規律與開裂失效機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：吉伯海
• 依託單位：河海大學

項目摘要

我國大跨徑鋼橋規模和數量已處於世界前列，隨著已建鋼橋服役年限的增長，鋼橋面板疲勞問題日益突出，成為鋼橋運營安全亟需解決的難題之一。疲勞開裂失效判定是鋼橋疲勞維護的理論基礎，而目前失效判定主要依賴經驗。本研究通過試驗和理論分析，探究鋼橋面板疲勞開裂擴展規律，考慮裂紋干涉效應對承載力退化規律影響，提出疲勞開裂後失效評判方法。首先，套用新型振動疲勞試驗機進行構件疲勞試驗，結合殘餘應力和金相特徵，分析裂紋擴展和失效模式，研究疲勞裂紋擴展規律。其次，對疲勞裂紋擴展過程中構件受力進行數值模擬，結合試驗結果，研究開裂擴展過程中構件承載性能退化規律。再次，考慮多裂紋的共同作用，進行多裂紋試件試驗和數值分析，研究多裂紋間的干涉效應對承載性能的影響。最後，基於承載性能的退化規律，考慮實際工程的承載需求，提出鋼橋面板疲勞焊縫失效評判標準。本研究可為疲勞開裂結構局部失效以及合理修復時機評判提供理論依據。

結題摘要

鋼橋因其受力性能優越、跨越能力強以及經濟合理等優點，在國內外橋樑建設中得到了廣泛套用。隨著已建鋼橋服役年限的增長，鋼橋面板疲勞損傷問題日益突出，已成為目前鋼橋運營養護中的關鍵技術難題。疲勞裂紋擴展規律的確定及失效準則的制定是有效開展鋼橋疲勞研究及開裂維護的重要基礎。目前已有的研究工作主要側重簡單構件的疲勞試驗研究，對鋼橋面板的複雜構造細節的裂紋萌生及擴展的研究較少，並且在疲勞試驗中對疲勞失效的判定更多依賴主觀判斷和相關經驗，缺少統一的評判標準。本研究在大量國內外調研的基礎上，採用理論、數值和試驗等手段，重點圍繞頂板與豎向加勁肋、頂板與U肋構造細節、橫隔板弧形缺口部位開展疲勞實驗，研究典型構造細節的疲勞裂紋擴展規律和疲勞失效機理。項目首先採用振動型疲勞實驗機對近100個構件施加彎曲疲勞荷載，利用人工目視、磁粉探傷、氣泡指示法等多種手段研究了典型構造細節疲勞裂紋萌生位置,測量了裂紋的擴展路徑，計算了擴展速率，分析了開裂前後應力幅的變化規律，探討了構件疲勞性能的退化規律。利用數值模擬手段，重點針對頂板與U肋焊縫裂紋，建立了鋼橋面板多裂紋分布模型，對比了單裂紋和多裂紋情況下裂紋尖端的應力場，評估了多裂紋干涉行為對鋼橋面板局部承載性能的影響。在疲勞試驗基礎上，進一步採用線彈性斷裂力學，對二維裂紋尺寸進行數值積分，考慮相互作用準則下的裂紋合併，模擬裂紋擴展，討論了板件尺寸、初始缺陷、材料參數、應力幅等因素對裂紋擴展的影響，建議了疲勞失效指標及取值範圍。最後，採用鑽孔法、補焊法對疲勞裂紋實施維修，對比研究了維修前後的裂紋擴展規律，評價了技術的修復效果。研究成果揭示了鋼橋面板典型構造細節疲勞裂紋的擴展規律，建議了疲勞失效指標及其取值範圍，積累了豐富的疲勞試驗經驗，為鋼橋面板抗疲勞設計、疲勞裂紋檢測和開裂維護提供了重要的借鑑和參考。