大型T形钢桁架构件疲劳寿命评估外文翻译资料

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摘要

在现有的疲劳强度评定方法中，有效缺口应力法被设计焊接接头的工程实践工作者广泛采用。这在标称应力和结构应力难以量化的情况下尤为重要。本文通过数值分析支持的综合试验方案，研究了所谓有效缺口应力法在大型桁架桥梁t型接头中的适用性。对带有工艺孔的大型T型连接的原型进行了一系列的大型疲劳试验。这种类型的接头通常用于全焊接桁架桥梁。此外，本文为了探讨了板厚和孔半径对有效切口应力的影响，利用有限元分析方法进行了简单的参数化研究。结果与常用的设计指导文件的比较表明，在这个实验方案中，有效缺口应力方法提供了一个保守的估计疲劳强度的样本测试。

1介绍

钢桥是一种非常常见的桥梁结构体系。桥梁结构疲劳寿命的估算是桥梁管理者和业主的一项重要工作。连接腹板和弦杆的扣板疲劳破坏是桁架桥梁中常见的疲劳破坏机制[3-6]。

更现代的快速施工技术倾向于采用全焊接桁架桥梁系统，而不是更传统的方法，后者经常使用螺栓和焊接的组合[2,7]。在全焊接连接中，不管是角节点还是弦的拼接和支撑构件，全都被焊接在一起，主要采用的是横向对接焊[8,9]。在对接焊连接中，一旦出现疲劳裂纹，裂纹的进一步扩展将影响连接和被连接部件。

此外，所谓的名义应力法(全局效应，见[10-12])是工业上常用的一种方法，它为执业工程师评估焊接接头的性能提供了一个简单的评估程序[10-12]。然而，这种方法排除了应力集中效应(局部效应)，这与当前的实践状态相反，需要详细的分析来开发更好的优化施工方法[13,14]。

另一方面,结构应力的方法(局部作用),考虑整体几何形状的影响,根据国际焊接学会的建议(IIW)[12],可以通过在一个焊趾的特定距离处量局部应变，进行推断，从而得到结构应力。 Dong等[15,16]利用数值分析开发了一种方法，该方法用于为多种类型的焊接接头提出一种单一的主S-N曲线。这种方法改变了结构应力在板厚上的分布。

1.1文献综述

Xiao和Yamada[17]开发了一种方法来计算沿裂纹预测路径下1毫米处的应力，该路径考虑了裂纹的尺寸和厚度效应。各种微观结构缺口假说[18-20]都是通过考虑缺口导致的强度降低而发展起来的。这些方法给出了一小段材料的平均应力，而不是控制疲劳的最大弹性缺口应力。根据Radaj等人的研究，在考虑疲劳效应时，将1mm半径的缺口(虚构的)合并到焊缝趾或焊缝根部是最糟糕的情况。该方法(有效缺口应力法)已广泛应用于焊接接头的设计，如[22]。

这些应用大多基于设计S-N曲线(疲劳等级225,IIW建议，[12])，

它最初是由数值分析推导出来的，使用量化有效缺口应力的实验测试结果进行校准。 在上述的IIW方法中，模型校准需要大量的实验数据。然而，对于大型焊接接头[23]的实验数据在文献中还比较缺乏。

焊接接头的疲劳是一个极其复杂的过程，受局部参数如焊缝轮廓、加载状态和焊缝缺陷的影响很大。焊接缺陷(特别是现场手工焊接)是很难预测的，在一定程度上不能轻易地阻止[24]。在所有这些影响因素中，焊接缺陷，特别是现场手工焊接，是最不可预测的，在一定程度上是不可避免的[25]。当焊接缺陷出现在所谓的“热点”(即最大缺口应力的位置)时，焊接接头的疲劳强度通常会降低。将焊接缺陷纳入设计中使用的疲劳评定程序是有利的。

在船舶设计中，Fricke和Paetzoldt[26]通过实际缺口应变法研究了不同几何形状的焊接工艺孔的细节的疲劳强度。然而，在[26]中测试的所有试样都是小规模的。对于钢桥，Miki和Tateishi[27]在考虑公称应力和结构应力方法的情况下，建立了类似于[26]的特定焊接接头细节的应力集中系数的回归公式。在另一项研究中，Xiao和Yamada[28]对带有工艺孔的相交附件进行了疲劳试验，得出工艺孔对疲劳强度影响有限的结论。但是，它们会导致裂纹位置从横向加强筋的边缘转移到副孔[28]的边缘。Aygul等人的[29]编制了一个数据库的疲劳试验的样本与工艺孔，并使用有限元分析来调查有效的缺口应力方法的有效性。他们得出的结论是，所有的结果曲线都高于通常使用的设计S-N曲线(根据IIW，第225类)。

之前引用的研究集中在小规模样本的测试上。尺寸效应在钢结构疲劳寿命中起着重要的作用。还应注意的是，疲劳设计和评估的常用准则主要是基于这些较小规模的试验测试[cf. Fricke [23] page 15]。正如Miki等人的[30]所述，日本的明石海峡大桥项目导致了许多关于高抗拉强度钢构件焊接接头疲劳性能的实验研究，并在全尺寸和大型试件上进行了测试(例如，[31-34])。文献中关于大型带副孔对接焊接接头的疲劳试验数据还比较缺乏。因此，有必要对这一现象进行大规模的基准实验研究。

Fig. 1. 提出了考虑有效缺口应力的t型接头构件疲劳寿命评估方法。

Fig. 2. (a) 全焊接桁架桥的总图(跨度以米表示) 以及 (b) 对接焊缝和节点板的位置.

Fig. 3. 试样的几何形状(mm)和应变片的位置

1.2研究计划

本文对我国某全焊接桁架桥典型焊接接头的疲劳强度进行了研究。该研究计划包括一系列大型t型接头样品的基准测试，这些t型接头样品具有不同的连接类型，它们具有或不具有各种的开孔布置。然后将该实验数据与两种常用的实务规范中的简单预测模型进行比较[11,12]

此外，本文还探讨了有效缺口应力法(局部效应)在大尺寸开孔t接头疲劳评估中的适用性(使用有限元分析，因为这些现象不能通过实验直接探索)。为了研究腹板或法兰横向对接焊缝的疲劳寿命，对两种t形接头进行了疲劳试验。采用有效缺口应力法，对试件的疲劳寿命进行了有限元模拟研究。利用验证后的有限元模型进行了参数化研究，探讨了参数对t形接头疲劳寿命的影响。所进行的研究过程如图1所示。这是通过一个全面的、大规模的、用来测试t连接的全焊接桁架桥组件的基准试验测试制度所完成的。本研究中的一些方面已经在之前Cai等人的一篇简短的会议论文中报道过。

Fig. 4. 实验装置(单位:mm)

Fig. 5. 通过磁粉探伤确定裂缝位置(B型接头)(照片(a)取自[35])

2. 实验计划

2.1测试样本

试验中测试的桁架构件是根据天津某新建公路桥(全焊接桁架桥，如图2a所示)的竣工施工细节制造的。该桥以矩形箱体截面为上弦杆，以工字形截面为支撑构件(图2b)。测试的两种连接类型为:

K-T接头(图2b)。加固板主要通过横向对接焊缝连接。

上弦杆和支撑构件;并且上弦和撑杆接头(图3c, a)。箱形截面上的上弦杆和工字形截面支撑构件由横向对接焊接在腹板上或翼缘上。

为简单起见，为了研究上述连接上焊接接头的疲劳行为，从这些组件中提取了两个代表性的工艺孔的细节:

A型:翼缘和t型接头通过对接焊连接(图3b)，对应不同板厚下试件T1 (30mm)、T2 (24mm);

B型: 腹板和t型接头通过对接焊连接(图3d)，对应试件T3 (30mm)。

在试验过程中，首次大规模制造了箱形截面顶杆和工字形支撑构件。为了模拟实际结构的残余应力状态，从这些截面上切出两种类型的t型接头。t型接头材料为桥梁行业广泛使用的Q345d低合金结构钢，符合GB/T1591-2008(中国)标准[36]。本试验所用钢材的屈服强度为345 MPa。

2.2实验计划

制作了6个标本。每种类型的t型接头制备两个相同的标本。标本分为两组:

A组. 由两件T1型(相同)和两件T3型(一件为标准质量，另一件具有咬边缺陷)试件组成;

B组.T2型2个试件(准备2个仿制试件，未做横向对接焊，也未开孔，用来完成第二批试验)。

因时间和经济限制，将4个试件按平行(串联)方式组合，如图4所示。每批试件同时加载(图4)。试验在同济大学土木工程实验室进行。

试验是在负载控制条件下进行的。加载状态为正弦波(频率为4hz)，幅值为770 kN，误差为200 kN(即加载范围为200 ~ 970 kN，即加载比约为0.2)。试件T1、T2、T3对应的名义应力范围分别为51.33 MPa、53.12 MPa、51.33 MPa。在对接焊缝和孔的热点附近安装应变计来测量应变，从而计算结构应力(图3)。

为了获得后续分析中使用的应变数据，每隔一定的时间间隔(500,000个周期)，暂停荷载循环，将试件推到所需的振幅，并记录应变读数。

破坏判据定义为在整个板厚范围内可被肉眼观察到的裂纹。图5所示的照片显示了一种用于改善裂纹扩展可视性的磁粉。在终止了欧洲规范 3[11]要求的循环次数后，试件的疲劳试验不再失败。

Table 1疲劳试验结果总结.

Fig. 6. 表面裂纹(接头A型)的磁粉探伤

Fig. 7. 基于名义应力法的轴向载荷下的疲劳试验结果.

Fig. 8. 缺口应力计算的有限元模型

Fig. 9. 网格使用约1毫米虚拟缺口(改编自[23]第9页)

3.结果

3.1观察到的故障模型

疲劳试验结果见表1。 焊接缺陷T3-1 在 3 times; 106 次循环后失败了。其余试件在循环周期5 times; 106 到 8 times; 106 次后停止，没有出现可见破坏。 T3-1试件的贯通厚度裂纹如图5a、b所示，位于对接焊缝相对一侧。 这种裂纹发生在对接焊缝趾与工艺孔交叉的地方。在 2.7 times; 106次循环的静态测量表明，在L1位置测量的应变(图3d)降至约为零。但是，在L2点测得的应变下降(图3d)不如在L1点测得的应变下降明显。这说明裂纹的萌生机制发生在L1位点，但尚未扩展到L2。磁粉探伤发现，裂缝开始于对接焊缝底部沿焊缝线和板厚方向处(图5a)。进一步的0.3 times; 106次循环，导致裂纹从缺陷一侧通过板厚向另一侧扩展(图5b)。这也导致裂纹长度沿焊缝延伸。从图6a (试件T1- 1)和图6b(试件T2-1)可以看出，经过6 times; 106 和 8 times; 106次循环后，试件T1-2、T2-2和T3-2只出现了表面微裂纹。这些未破坏的试件，按照破坏准则，由于均经历了5 times; 106个循环，均在[11]施加的试验应力范围之上存在恒幅疲劳极限。对于失效的那一个(T3-1)，很难将焊缝缺陷与几何参数(如孔半径、板厚)区分开来。根据[11,12]的预测，A型接头的起裂点将出现在腹孔与角焊的交点处。相比之下，对于B型接头(T3

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