一 研究意义 焊接钢梁的疲劳强度是钢桥的重要设计指标。然而在处理既有钢桥的疲劳问题时，会面临两个难题：一是在荷载历史不清楚的情况下，既有桥梁的剩余疲劳寿命难以估计，这也是基于S-N曲线疲劳评估方法应用时主要的技术障碍之一；二是由于目前的研究几乎都只集中在边界条件不变的构件层面，不能考虑局部构件损伤与结构整体响应的相互作用。既有研究证明，结合恰当的现场检测数据，采用断裂力学方法，可以对在役结构进行疲劳评估，而且不需要获取结构的受载历史。因此，本文将沿用断裂力学手段，提出和验证基于整体-局部数值模型的三维疲劳裂纹扩展分析方法，并将此方法应用于实际铁路钢桁梁桥焊接钢梁的剩余疲劳寿命估算，探讨局部损伤和整体结构响应的相互作用对于疲劳评估结果的影响。
一
研究意义
焊接钢梁的疲劳强度是钢桥的重要设计指标。然而在处理既有钢桥的疲劳问题时，会面临两个难题：一是在荷载历史不清楚的情况下，既有桥梁的剩余疲劳寿命难以估计，这也是基于S-N曲线疲劳评估方法应用时主要的技术障碍之一；二是由于目前的研究几乎都只集中在边界条件不变的构件层面，不能考虑局部构件损伤与结构整体响应的相互作用。既有研究证明，结合恰当的现场检测数据，采用断裂力学方法，可以对在役结构进行疲劳评估，而且不需要获取结构的受载历史。因此，本文将沿用断裂力学手段，提出和验证基于整体-局部数值模型的三维疲劳裂纹扩展分析方法，并将此方法应用于实际铁路钢桁梁桥焊接钢梁的剩余疲劳寿命估算，探讨局部损伤和整体结构响应的相互作用对于疲劳评估结果的影响。
二
研究内容
1
基于整体-局部模型的三维裂纹扩展分析方法验证
以NHCRP 102号报告中的焊接钢梁为研究对象，采用四点弯曲加载，纯弯段采用实体单元，其余部分采用壳单元模拟，由此建立一个简单的“整体-局部模型”，如图1所示。在跨中截面腹板与翼缘连接焊缝的焊根处引入直径为0.3mm的圆形初始裂纹，基于Franc3D平台开展三维裂纹扩展分析。需要注意的是，分析中会遇到裂纹与构件表面相交的情况，可以通过记录每个分析步骤的裂纹前缘，然后手动将裂纹插入有限元模型。对于翼缘与腹板连接处角焊缝的疲劳裂纹扩展模拟，裂纹前缘与构件表面的相交通常会发生两次，最终形成三个单独的裂纹前缘，如图2所示。本节的分析结果表明，数值预测和试验结果比较吻合，如图3所示，证明了基于整体-局部模型的三维裂纹扩展分析的有效性。
图1 焊接钢梁的整体-局部模型示意图
图2 焊接钢梁的疲劳裂纹扩展过程
图3 试验与数值模拟的寿命对比
2
典型钢桁梁桥中焊接钢梁的疲劳裂纹扩展分析
本文以一座典型的钢桁梁桥——北京芦沟铁路桥为例，该桥是建于1898年的双向铁路桥。90年后，所有的钢桁架都被全新的预制钢桁架梁所取代。因此，将其视为一座寿命从1988年开始的“新”钢桥，新桥由15跨简支梁组成，跨度31.68m。文中选取了该桥E2’EE2‘轴线处纵梁作为评估对象，根据钢桁梁桥施工图所示的几何尺寸，采用ABAQUS分别建立了一跨桥梁的整体-局部有限元模型和E2’EE2‘纵梁本身的实体单元模型（局部模型），如图4所示，分别开展疲劳裂纹扩展分析。
图4 整体-局部和局部有限元模型
在荷载输入方面，依据等效裂纹扩展原理，将移动荷载作用下的变幅应力幅转换为等效恒幅应力幅。采用第一部分所述的初始裂纹设置和笔者实测的国产Q345q的疲劳裂纹速率参数，选择即将完全穿透翼缘板时的尺寸作为临界裂纹，用沿垂直裂纹扩展路径的a-ΔK数据计算疲劳裂纹扩展寿命（图5）。可以看到，在同样的应力水平下（局部模型需引入折减系数），基于整体-局部模型与基于局部模型所得到的的a-ΔK关系几乎相同，如图6所示，表明整体-局部模型与局部模型在疲劳裂纹扩展机理上没有显著差异。以列车通行次数作为构造疲劳寿命的表征指标，基于模拟计算得到的a-ΔK关系，通过龙格-库塔积分可得裂纹尺寸和列车通行次数之间的关系（图7）。同样地，基于整体-局部模型和局部模型的疲劳寿命预测结果几乎完全吻合。这主要是由于整体桥梁结构的控制应力水平较低，局部损伤与整体结构响应的相互作用不明显。
图5 疲劳裂纹扩展路径
图6 计算a-ΔK的关系曲线
图7 HXHC列车荷载作用下的剩余疲劳寿命预测
3
重载列车作用的剩余疲劳寿命预测
随着高速铁路的快速发展和客运能力的提高，越来越多的既有铁路用于货运。据有关部门调查，未来可能采用两种重载货车，轴重分别为27吨和30吨。两列重载列车的轴重分布如图8所示。基于上述的整体-局部有限元模型，开展三维疲劳裂纹扩展分析。结果表明，随着轴重的增加，目标疲劳细节的剩余疲劳寿命显著降低，如图9所示。当承受30吨列车通过时，其剩余寿命仅为48年。因此，当增加通过钢桥列车的轴重时，需要对其进行制定全面详细的技术检查和运维管养计划。
(a) 轴重17吨
(b)轴重30吨
图8 重载列车的轴重
图9 重载列车荷载作用下的疲劳裂纹扩展过程
三
研究结论
本文提出和验证了基于整体-局部数值模型的三维裂纹扩展分析方法，并将该方法用于一座典型钢桁架桥梁的精细化疲劳评估。得到的主要结论和建议如下：
（1）基于NHCRP 102报告中的大量实验数据，验证了基于整体-局部模型的疲劳裂纹扩展数值分析方法能够准确、有效的预测疲劳裂纹扩展寿命；
（2）本文选用的卢沟铁路桥纵向焊接钢梁的数值算例表明，采用整体-局部模型和局部模型得到的疲劳裂纹扩展机理无明显差异。如果结构细节应力处于整体弹性状态，采用精细化局部模型，能够对该细节进行足够精确的疲劳评估；
（3）重载列车对钢桁梁疲劳性能的影响分析结果表明，轴重的增加会明显降低焊接钢梁的剩余寿命。因此，建议运行重载列车的钢桥，应进行更为详细、谨慎的技术检查和定期检修；
（4）本文仅研究了某一特定部位的疲劳损伤，并且整体结构的应力水平相对较低。当结构的应力水平增加，或多个疲劳构造细节发生损伤时，结构整体-局部之间的相互作用效应需要进一步研究。
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知识点：基于整体-局部数值模型的焊接钢梁三维疲劳裂纹扩展分析
