文摘

正交异性钢桥面Rib-to-diaphragm焊接细节(osd)容易疲劳开裂。处理这样的开裂问题,加强方法使用外部保税碳纤维增强塑料制成(碳纤维增强塑料)板是由疲劳实验和数值研究评估。全面OSD标本与两根肋骨和两个膜片测试来评估疲劳开裂行为,以及加固前后的压力。建立了一个实验验证数值模型确认为碳纤维增强塑料加强的最佳机会。不同碳纤维增强塑料的影响加强措施然后讨论了裂纹的应力强度因子的技巧。结果表明,碳纤维增强塑料盘子的结合可以显著降低应力rib-to-diaphragm焊接细节。碳纤维增强塑料的最佳机会加强选为裂纹的长度达到25.00毫米,应力强度因子幅度是最小的。碳纤维增强塑料盘子的附件焊接表面裂纹板可以降低应激反应在了地区30%以上。裂纹的长度是没有平坦的增长直到载荷循环加强后的总数到达080万。sif数值模型计算的结果下降后加强与还原速度超过35%和18%两个裂纹和裂纹中点,分别。 Compared to the geometric dimensions of CFRP, the elastic modulus of CFRP and glue layer shows more significant influence on the fatigue performance of Rib-to-diaphragm welded details due to their stronger restraint to the propagation of crack peaks. This study provided a technical reference to the design and actual application of CFRP in the strengthening of welded details in OSDs.

1。介绍

正交的钢甲板(osd)已经广泛应用于钢桥由于其各种优点,如重量轻、方便施工和高承载力(1,2]。然而,osd遭受一些典型焊接接头疲劳裂纹问题重复交通载荷作用下。在过去的几十年中,疲劳裂纹在osd经常报道世界各地(3- - - - - -6]。在osd的疲劳现象观察,rib-to-diaphragm焊接接头的疲劳裂纹是最常见的,如图1。减少焊接线的总长度,图与孔板设计,确保通过纵向肋骨没有切断,只有2/3的肋的高度与图的web板是焊接盘子。由于小平面外刚度纵向肋骨和图的盘子,rib-to-diagram焊接接头受复杂应力条件下伟大的平面外变形。由于开孔和垂直交叉肋和横隔膜,应力集中的影响,二次压力加剧,从而过早容易出现裂缝。

无数的方法和措施进行了介绍,并应用于解决在现有的钢桥疲劳开裂的问题。钻孔(7)的建议被认为是有效阻止裂纹的传播暂时,但新裂缝可能发生在短期内孔的边缘。磨(8和锤击9)在焊缝附近两个有益的方式来减少平均应力通过引入残余压应力。引入残余压应力可以推迟发生疲劳开裂,但残余压应力被释放后会发生开裂和裂缝的传播率近似未经处理的焊接接头。将钢或纤维增强聚合物(FRP)材料表面通过螺栓或焊接现有钢结构可以减少应力强度由当地改善焊接接头的刚度10- - - - - -19),被认为是冷钢筋由于没有焊接。与钢铁材料相比,FRP材料更完全的低重量的一些优势,便利的解决和消除腐蚀问题。因此,结合玻璃钢结构成员的外表面被调查是有效的加固方法。

有许多的疲劳性能的研究未焊好的地区加强玻璃钢材料,和相对的成就已被广泛应用于实际项目(11,14,15,20.- - - - - -22]。更少的研究一直在进行FRP-strengthened焊接接头的疲劳行为。在这些研究中,修复效果FRP材料在形式的板板进行了调查和研究,分别。中村et al。23)进行了疲劳测试,研究了纵向焊接接头的疲劳性能加强FRP板,和证明结合FRP板可以显著降低裂纹的传播速度和延长剩余疲劳寿命。疲劳试验和数值模拟相结合,陈et al。24]研究了疲劳增强加固效果的影响了十字焊接接头,并发现广泛的粘结加固效果可以提高疲劳寿命的15%以上。然而,王et al。20.]证明了碳纤维增强塑料盘子最好加强效应通过疲劳试验和数值分析,疲劳修复标本的有效性是影响碳纤维增强塑料材料的配置异常。

典型结构保持平面外变形、FRP板已经证明有效的修复裂缝的OSD要么焊接接头(25- - - - - -28]。加强外部保税玻璃钢角度,rib-to-deck焊接接头可以扩展的生活只要4.18倍,和加强效果很大程度上依赖于玻璃钢材料、粘合剂、和角度尺寸使用。然而,rib-to-diaphragm焊接接头更复杂应力条件下,分散的开裂行为更严重。虽然先前的调查提供了一些试图改善OSD的疲劳寿命,一些调查关注的是加强的影响参数对剩余OSD的生活。此外,最重要或敏感因素不在本文的讨论和研究。提供一个有效和便利措施,减轻rib-to-diaphragm焊接接头开裂,疲劳试验在一个全面的OSD标本进行检查加强粘结碳纤维增强塑料盘子的效果。的影响不同FRP材料、粘合剂和板尺寸数值研究。

2。疲劳试验

2.1。OSD标本

一个全面的OSD标本进行疲劳试验设计。标本的制作是有相同的尺寸和几何图形作为港珠澳大桥OSD面板。测试样品的配置如图2。如图,标本由一个甲板板,两个图盘子和两个U-ribs,宽度,长度,高度是1200毫米,2900毫米和600毫米。标本是纵向分为三个部分,两个图板块之间的间距与两侧的悬臂长度2300毫米300毫米。甲板板的厚度和U-ribs 18毫米,8毫米,分别。为了防止屈曲重复垂直荷载作用下,两个肋加强剂14 mm的厚度由每个图焊接板安装在纵向方向。为了方便的位置开裂,八rib-diaphragm焊接接头是得名于D8 D1,他的位置被显示在图2要么。标本是由年级Q345B钢的化学内容和机械性能表中列出1。

2.2。测试设置

如图1已发现,四种类型的裂缝在rib-diaphragm焊接接头在实际项目中。其中,II型是最观察裂缝的出现减少了刚度U-rib腹板的抗疲劳强度的甲板系统退化。数值模拟研究,II型的萌生和扩展是由应力条件控制相应的车辆荷载作用在中跨截面(29日]。因此,一些实验研究选择中跨截面疲劳载荷的位置的OSD标本(29日]。开裂现象的实验表明,疲劳开裂过程以及裂纹形式类似于实际的项目。

在这篇文章中,方案的单点加载恒幅疲劳试验中被选中。图3显示配置的测试设置,两个U-ribs被命名为A和b U-rib U-rib如图3(一个)标本被固定在测试平台和54-mm厚广场橡皮板被放置在顶部的甲板板来模拟车辆的负载。方形的边长橡皮板被应用为400毫米(30.]。致动器的单点测试负载转移到橡皮板通过一个刚性框架实现均匀分布对甲板板的压力。如图3 (b),等幅加载负载范围240 kN加载4赫兹的频率、最小值和最大值是-260 kN, -20 kN,分别。

监控动态应变响应的标本在疲劳试验过程中,单轴应变式,采样频率为100赫兹,连着U-ribs。四个应变仪首次安装在每一个焊接接头,三人在肋板和一个横隔板。如果出现明显的裂缝,10个额外的传感器将被添加为破解的细节。的配置和代码焊接细节有无开裂应变传感器如图4。

2.3。结果在加强

便携式电子显微镜放大倍数为1000.0和0.1毫米的最小尺寸是用来观察和测量裂缝的长度。在疲劳试验中,只有D2和D3发现焊接接头开裂的脚趾肋板和横梁板之间的焊接,和只有一个为每个焊接接头裂纹。裂缝是如图的形象4要么。图5提出了曲线的长度,以及传播率,两个裂缝随着负载循环的数量。图中所示,裂纹扩展的过程分为四个阶段。在第一阶段,可见裂缝出生和传播与伟大的增长率与200年到25万年周期。裂纹扩展速率降低部分在第二阶段10万周期。负载周期的数量持续增加,传播率开始增加约20万次。最后,裂纹扩展成为缓慢又率越来越小,在裂纹长度保持恒定负载周期数量到达110万。

计的应变降低8 D2和D3,被贴上D2-8 D3-8,拥有最重要的是,他们选择概要文件的变化压力在疲劳裂纹的传播。图6提出了曲线的应力幅值在这两个位置和负载循环的数量。如图,应力幅值在两个位置不同的压缩与拉伸载荷循环数的增加。应力幅值的下降率是伟大的在裂纹扩展过程的第一阶段。第一阶段结束时,应力幅值下降到接近0.0 MPa。然后,应力幅值的下降率较小的在接下来的三个阶段,和值保持在-50.0 MPa,负载周期的数量达到了110万。

2.4。结果加强后

碳纤维增强塑料盘子然后连着U-rib板加强裂纹焊接接头,即。、D2和D3。图7显示实际视图和加强计划由碳纤维增强塑料盘子。如图,两个平方碳纤维增强塑料盘子被附加到破解U-rib盘子两侧横隔板使用一层环氧树脂胶厚2.0毫米。根据裂纹的形状和尺寸和建筑空间,碳纤维增强塑料盘子的边的长度和厚度是70毫米和10毫米,分别。7天维修后然后进行粘结碳纤维增强塑料盘子。

静载测试第一次进行验证与碳纤维布加固效果盘子。表2呈现典型的压力点的静载荷达到260 kN之前和之后的加强。如表所示,压应力的绝对值在D2-3 D3-3减少13 MPa和12 MPa,下降率达到30.2%和30.8%,分别。边缘的拉伸应力的绝对值拱差距,即。,D2-1 and D3-1, increased 17 MPa and 34 MPa with the increasing rate as great as 28.8% and 36.2%, respectively. Above consequences indicated that the involvement of CFRP plates at the cracked positions reduced stress intensity of U-rib plates near cracks, while tensile stress at the arch gap of diaphragm plates magnified causing greater risk of cracking.

测量压力D2-1和D3-1应用评估的加强效果减少应力裂纹附近的技巧,在表所示2要么。如表所示,这两个点的应力增强后明显减少。测量的压力D2-12 D3-12下降了74 MPa和67 MPa,分别的降低率分别为37.6%和36.8%。它表明,应力强度周围裂纹技巧减少附件后碳纤维增强塑料盘子。此外,80万年进行了疲劳试验周期相同的加载方案,这是发现,现有的裂缝的长度保持一致,没有新的裂缝发生在测试期间。

D6-3和D7-3用于验证粘结碳纤维增强塑料盘子来缓解压力的效果在邻近的焊接接头。如表所示2,压应力的绝对值在这两个位置与小范围减少,减少的速度D6-3和D7-3只有3.4%和10.8%。疲劳开裂具有显著的本地行为,表明加强裂缝位置较低的影响,减少对周边焊接接头疲劳载荷影响。

3所示。FRP-Strengthening计划的数学模型

3.1。有限的OSD模型标本

多尺度有限元模型(M-Fem)和创建模拟疲劳行为成立前后钢筋通过附加碳纤维增强塑料盘子。为了提高计算效率,被技术被用来模拟和链接OSD标本的全球和地方行动。ABAQUAS商业有限元软件是用于创建M-Fem和模拟疲劳行为的实验样本,如图所示8。M-Fem的几何尺寸相似的OSD的标本。S4R壳牌统一被用来模拟全局模型的网格尺寸10毫米。一个Rib-to-diaphragm焊接接头具有相似的位置D2和D3模拟当地的模型。局部模型的几何尺寸在X, Y和Z方向是300毫米,380毫米和214毫米。C3D8R六面体单元和C3D10四面体单元用于模拟当地的行为模型。遥远的地区从开裂位置被C3D8R六面体单元网格单元的模拟10毫米,当郊区地区模拟C3D10四面体单元网格单元的1毫米。这些网格上面两个地区之间与扭曲C3D10四面体单元。

弹性模量和激情配给被选为206年绩点和0.3,分别。固定约束应用于两个膜片模拟边界条件的下翼缘的标本。均布荷载与演艺400毫米×400毫米的地区,类似于几何尺寸的橡胶垫在疲劳试验,用于模拟实验负载。均布荷载的强度进行了计算,并获得相应的试验载荷除以代理区域的面积。验证有限元模型的准确性进行了分析,获得应力在不同测量分无裂缝的标本。表3D2-2,比较了有限元应力在D2-1 D2-3 D2-4与测量的疲劳测试,观察好协议。

3.2。裂纹扩展模拟

通过建立更多的罚款模拟裂纹模型嵌入有限元模型的OSD标本。改进模型是由法郎3 d有限元软件,在模型的维度在Y和Z方向是80毫米和214毫米,分别。一个半圆的虚拟裂纹零数量和半径为0.25毫米(一个₀)被插入的焊趾U-rib在二级被,如图所示7 (c)。根据前面提出的宏观裂纹的传播理论,虚拟裂纹长度增长一步一步直到到达临界长度一个_c。

3.3。加强与碳纤维增强塑料的仿真

碳纤维增强塑料盘子的附件焊接模拟通过引入复合结构包含粘合层的裂缝模型测试标本。碳纤维增强塑料板材和胶水层正交各向异性体弹性材料被模拟。复合结构的模型模拟了C3D8六面体单元网格大小的1毫米。复合模型被Tie-binding连着OSD模型技术。尺寸和材料参数的测试标本。在数值模型中,碳纤维增强塑料的弹性模量和毒药的比率和胶水层表所示4。

4所示。的碳纤维布加固对疲劳性能参数分析

4.1。sif的计算

线弹性断裂力学理论经常被用于评估裂纹扩展,裂纹周围应力分布在哪里经常评估应力强度因子(SIF)。多个加载条件下操作,交互集成的方法是经常涉及计算SIF。对于弹性材料,sif等于能量释放率K,可以被j积分和制定如下: 在哪里B表示pre-logarithmic能量系数矩阵,由组件由I - j积分描述,二世——III-type裂纹由以下公式: 下标的表示三种裂缝类型命名I - II III-type裂纹, 提出了过程的裂纹减少轮廓,描述轮廓沿法向平面裂纹前缘的开始和结束表面裂纹表面的底部和顶部,感受。

然后,介绍了模拟裂纹扩展,制定如下: 在哪里l捐赠模拟裂纹前沿,d表面元素的导数在小管表面裂纹尖端周围,n外观是正常的d一个,问是本地的名义的虚拟裂纹扩展方向。

在(3),需要通过插值函数来计算离解在每个点P的前沿裂缝。计算公式如下所示: 在哪里 在P和 在其他位置。

应用(4)(3),每个点P的J-internal可以规定(5)。最后,计算的结果放入(1SIF)和计算获得。

裂缝的长度和配置变量,SIF与归一化距离沿裂纹前缘曲线通常被应用于解决开裂问题。图9提出了归一化曲线的SIF分布以及加强前后裂纹长度。在图中,点A和B表示裂纹在双方技巧,和C点的中点。如图所示,两条曲线的轮廓相似,两个峰值点表面强化后的深。此外,曲线的峰值减少从550 MPa^1/2317 MPa^1/2。表4显示了计算SIF在三点之前和之后的加强。

4.2。粘合层的弹性模量

它是研究胶(EMG)层的弹性模量影响加强FRP板和床单对疲劳的影响,钢结构的静载荷性质。在本节中,六种不同的肌电图的值,如表所示5,被应用到有限元模型的CFRP-strengthened OSD标本。弹性模量的碳纤维增强塑料盘子(EMC)被定义为0.25的绩点,和广场碳纤维增强塑料盘子的一边维度定义为70毫米。SIF的计算结果在A、B和C点表所示5要么。

如表所示,与肌电图的1000 MPa提高到6000 MPa, SIF的价值从414 MPa·毫米点降低^1/2243 MPa·毫米^1/2。介绍了sif的Post-strengthening降低率评估肌电图对强化效果的影响。从表中给出的是post-strengthening降低率为24.7%和55.8%,分别对EMG相当于1000 MPa和6000 MPa。换句话说,sif的post-strengthening减少速度点增加了约125.9%,肌电图从1000 MPa 6000 MPa。也增加了EMG减少sif点B和C, sif的post-strengthening降低率这两个点增加了119.8%和85.8%。

4.3。碳纤维增强塑料材料的弹性模量

碳纤维增强塑料材料的弹性模量的影响不同电磁兼容(EMC)评估的有限元模型CFRP-strengthened OSD标本。在有限元模型中,侧方GFRP板尺寸以及肌电图被固定为70 mm和6000 MPa。计算和获得的SIF i型裂纹沿着裂纹长度分布,分的SIF, B和C也EMC的条件下相比,在计算结果如表所示6。

如表所示,EMC的增长减少了sif以上三部分裂缝的位置。尽管sif的计算结果在三个不同的EMC显著降低与那些没有加强相比,EMC的影响并不大,肌电图显示小post-strengthening减少sif的速度。Post-strengthening减少sif率(PRR)是用来比较EMC的影响。尽管EMC增加到2.5倍,从250年100 GPa GPa, PRR的价值仅增加6.90%,8.10%和5.20%以上三裂缝的位置。

4.4。碳纤维增强塑料盘子的尺寸

方形的边长碳纤维增强塑料盘子不一的影响评估维度sif的碳纤维增强塑料盘子。三种不同边长的平方值碳纤维增强塑料盘子被定义在有限元模型中,这是显示在表7。消除广场碳纤维增强塑料盘子的位置的影响,两个垂直的侧面每平方的碳纤维增强塑料盘子是固定的,这是呈现在图10。如图,一个固定的会见了焊趾线,和其他固定端会见了U-rib板的弯曲线。此外,EMC和肌电图的价值被定义为常数,即,分别6.0绩点和250.0绩点。

计算的结果SIF, PRR如表所示7要么。如表所示,SIF的价值在所有三个点在一个小范围内波动,边长的平方碳纤维增强塑料盘子从55毫米到70毫米。同样,PRR的价值增加了-0.9%,分别为0.4%和6.9%。

5。讨论

如前所述,碳纤维增强塑料加强计划的三个参数对疲劳性能有不同影响的裂缝OSD标本,可以描述由两个参数,即。SIF, PRR三个典型的点。在这三个参数中,肌电图有最显著的影响减少了SIF和PRR。换句话说,增加肌电图是最有效的方式汇出的碳纤维布加固疲劳失效板块的风险。此外,EMC的增长还好效果增加抗疲劳损伤。相比之下,增加平面尺寸的碳纤维增强塑料盘子有无效的影响来提高加固效率。

裂纹的传播或发展取决于应力强度在裂纹或裂纹表面的中点。加强原则,结合碳纤维增强塑料盘子的附件是提供外部约束裂纹增长,减少沿着表面裂纹应力强度。粘合层的弹性模量和厚度远小于钢板、碳纤维增强塑料盘子夹粘合层的力学性能最显著影响镀钢的变形或应力引起的裂缝。因此,增加肌电图可以提供更严重的限制裂纹,减少sif的价值以及裂缝发展的风险。也确定增加的EMC和碳纤维增强塑料盘子的平面尺寸可以提高粘合层上的约束。因此,这两个参数可以影响sif在相对较小的范围内。

6。结论

评价碳纤维增强塑料盘子的加强效果rib-to-diaphragm焊接接头的疲劳性能OSD标本,等幅疲劳试验和数值评价进行了全面的OSD标本。experiment-calibrated数值模拟和评估的基础上,强化计划从三个强化效率的参数,即即。、肌电图、EMC和飞机CFPR盘子的大小,比较和讨论,可以得出的主要结论和描述如下:1。重复荷载作用下甲板中间跨度,疲劳裂纹发生概率高的rib-to-diaphragm焊接接头,开始在焊趾和隔膜孔之间的十字路口。传播过程,直到载荷循环数达到110万,可以分为四个阶段根据裂缝的增长率,其大小在第一和第三阶段相对较大。裂纹的增长率下降4^th阶段的扩展载荷循环数,最后趋于零级的4^th阶段。此外,压力在起始区域减少不断扩展的裂纹长度,表示重要结构的应力松弛引起的开裂。2。碳纤维增强塑料盘子的附件焊接表面裂纹板显示显示令人满意的增强效果,减少应激反应在了地区30%以上。疲劳试验结果显示了良好的效果在阻止裂纹扩展。没有出现裂缝即使加强后的载荷循环数到达080万。sif的数值模型计算结果显示大幅下降后加强与还原速度超过35%和18%两个裂纹和裂纹中点,分别。3所示。加强效率,减少异形的sif,由肌电图的影响,EMC和飞机CFPR板块与不同程度的大小。与以上三个因素的增加,sif的还原速度两个裂纹和裂纹中点减少,肌电图和EMC的价值在哪里增加强化效率的两大敏感的因素。因此,与高价值的肌电图和EMC方案建议加强了OSD标本,碳纤维增强塑料盘子的计划规模可以满足最小粘结长度。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者承认国家自然科学基金委的资助(批准号51508251),江苏省自然科学基金(批准号BK20211003],江苏省六大人才高峰的项目(批准号生理- 062],金陵科技学院高层次人才工作激活费用基金项目(批准号jit - b - 201614]。