基于断裂力学的腐蚀钢丝疲劳S-N曲线研究

高强冷拔钢丝因其优异的力学性能被广泛应用于缆索承重结构,服役过程中钢丝腐蚀与断裂威胁着结构安全。钢丝腐蚀后表面的蚀坑因应力集中效应易产生疲劳裂纹,因此腐蚀钢丝剩余疲劳寿命主要取决于裂纹的扩展阶段,且裂纹扩展受到腐蚀程度(初始损伤)的显著影响。精确表征腐蚀程度并准确评估服役期钢丝腐蚀后的剩余寿命,仍是亟待解决的维修难题。首先采用蚀坑最大深度表征钢丝腐蚀程度,以应力强度因子幅作为裂纹扩展驱动力指标,基于断裂力学的Paris公式建立受拉钢丝裂纹扩展理论模型,进而推导腐蚀钢丝的疲劳S-N曲线。大量既有的腐蚀钢丝疲劳试验结果与理论预测值的比较验证了所提理论模型及疲劳S-N曲线的合理性和有效性。含多个蚀坑的钢丝裂纹扩展有限元模拟表明,等效单裂纹适用于多腐蚀坑钢丝疲劳寿命的简化分析。参数分析表明,蚀坑深度和腐蚀环境是腐蚀钢丝疲劳强度的关键影响因素,而应力比和疲劳加载频率影响较小,所提出的S-N曲线在钢丝常规服役条件下适用于评估其剩余寿命,可得到合理的预测结果。基于断裂力学所提的理论方法和疲劳S-N曲线可为腐蚀钢丝的疲劳强度和寿命评估提供参考。

混凝土铺装层开裂对正交异性钢桥面疲劳性能劣化作用研究

为合理评估混凝土铺装层开裂对正交异性钢桥面板疲劳性能劣化的影响,开展足尺模型疲劳试验并进行数值仿真分析,得到铺装层开裂后钢桥面板典型易损细节疲劳应力,并提出疲劳应力增大系数量化分析裂缝尺寸对各细节疲劳应力的影响效应。结果表明:混凝土裂缝深度不超过其厚度20%时,正交异性钢桥面典型细节疲劳应力增幅很小;混凝土层正下方的横隔板-U肋-顶板及横隔板-U肋细节疲劳应力对混凝土裂缝长度、深度变化较敏感,混凝土开裂对横隔板弧形开口处及U肋圆弧处的影响较小;纵桥向裂缝对疲劳应力的影响比横桥向裂缝显著,且多裂缝会明显增大疲劳细节处应力水平,会加速桥面结构疲劳性能劣化,因此须设钢筋网阻滞裂缝扩展。

正交异性钢-钢纤维混凝土组合桥面板疲劳极限状态研究

为了解正交异性钢-钢纤维混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete,SFRC)组合桥面板的疲劳性能及失效机理,以川南城际铁路临港长江大桥为背景,设计、制作正交异性钢-SFRC组合桥面板足尺模型进行疲劳试验,采用ANSYS软件建立试件有限元模型,研究关键细节的疲劳应力和开裂等情况。基于有限元模型,分析不同设计参数(钢顶板厚度、栓钉布置、SFRC抗拉强度及层厚)下组合桥面板疲劳极限状态的失效模式,并提出了主要控制参数取值建议。结果表明:200万次疲劳加载后足尺模型的实测最大裂缝宽度为0.136 mm,出现在SFRC层上缘,钢结构未开裂,组合桥面板疲劳性能良好;组合桥面板疲劳极限状态主要由SFRC层开裂控制,钢顶板厚度、栓钉布置对组合桥面板疲劳性能的影响较小,SFRC抗拉强度和层厚对组合桥面板疲劳性能影响较大,为主要控制参数;在常规正交异性钢桥面板上铺设薄层(厚度不超过50 mm)SFRC时,SFRC抗拉强度不应小于5 MPa,在常规正交异性钢桥面板上铺设普通SFRC(钢纤维体积含量不高于1%,抗拉强度不高于3 MPa)时,SFRC层厚不宜低于100 mm。

基于裂纹扩展分析的正交异性钢桥面板疲劳响应研究

轮载下正交异性钢桥面板的局部效应显著,相邻各疲劳易损细节的疲劳行为相互影响,特别是随着某个细节裂纹扩展,相邻细节疲劳应力可能增大,桥面板疲劳性能呈加速劣化趋势。疲劳应力响应及桥面板性能劣化评估已成为钢桥面板运营期面临的挑战和亟待进行的工作。为合理评估开裂正交异性钢桥面板的疲劳性能演化情况,基于既有足尺模型疲劳试验,综合采用有限元程序ANSYS和Franc3D的多尺度交互技术模拟钢桥面板典型疲劳易损细节裂纹扩展行为,探究裂纹扩展过程中各关键细节(顶板与U肋连接焊缝、U肋与横隔板连接焊缝、横隔板开孔处)的疲劳应力响应和演化情况。结果表明:裂纹扩展对正交异性钢桥面板局部变形(挠度)影响很小;不同开裂模式下,各细节处应力变化规律存在较大差异,裂纹扩展的响应呈现出局部特征,仅对最近的细节主拉应力有一定的增大效应;顶板与纵肋焊缝连接处和横隔板开孔处的裂纹扩展对相邻疲劳细节的主拉应力提升效果较显著,可能导致该处萌生裂纹。研究结果可为开裂后正交异性钢桥面板的疲劳性能评估提供参考。

非对称施工荷载下斜拉悬索协作体系桥合理成桥状态研究

为研究非对称施工荷载对斜拉悬索协作体系桥的合理成桥状态,以主跨为988 m的G3铜陵长江公铁两用钢桁加劲梁桥架设施工为工程背景,采用数值方法建立斜拉悬索协作体系桥的空间非线性有限元模型,对倒拆施工中非对称和对称施工荷载作用下千米级柔性桥梁结构受力、变形、合龙调整措施及合理成桥状态进行研究。结果表明:对称和非对称施工荷载下斜拉悬索协作体系桥的结构响应差异不大,非对称施工荷载下结构内力更小,但主梁上弦杆的最大位移增大2 m;合龙口梁段间宽度比合龙段小,梁段高差为7.6 cm,采用合龙口处施加5000 kN顶推力和临时吊索300 kN张拉力的调整措施,能有效调整合龙口几何形态,满足合龙施工要求;全桥合龙后主桁跨中区域呈上拱趋势,最大竖向位移为2.6 m,缆索过渡区斜拉索张拉完成后主桁上拱曲率增大,最大竖向位移为2.9 m,完成二恒铺装后主梁可达到合理设计线形。

大跨度公铁两用斜拉-悬索协作体系桥断索动力响应

研究大跨度公铁两用斜拉-悬索协作体系桥在极端作用下发生断索时桥梁结构及桥上列车的动力响应,以G3铜陵长江公铁大桥为研究对象,建立全桥有限元模型;研究各个位置斜拉索、吊索断裂后桥梁结构的动力响应;研究在列车-桥梁耦合振动作用下,各断索组合工况中桥梁及列车的动力响应.结果表明:斜拉-悬索协作体系桥具有较高的结构刚度及安全冗余;在单根斜拉索、吊索断索后,可保持列车通行;在吊索区域单侧发生4根以上断索,可导致连续断索破坏;在斜拉索-吊索交替及斜拉索区域,单侧断索达到8根也不会发生连续断索破坏;断索动力放大系数取2.0合理,但仅对断索位置附近剩余吊索和斜拉索具有工程应用价值;当断索发生时,若列车经过,列车竖向加速度会发生突变,但仍在安全范围内;剩余斜拉索与吊索动应力增加主要来自于主梁作用,列车作用占比不超过13%.

城轨钢箱梁开口肋正交异性钢桥面板疲劳应力计算组合系数法

为简化城轨交通钢箱梁桥面板疲劳性能评估,基于轨下开口肋正交异性钢桥面板典型构造,采用有限元方法提出其疲劳应力计算组合系数法。首先,建立重庆嘉华轨道专用桥桥面构造有限元模型,确定车辆疲劳荷载纵、横向影响范围及最不利加载位置,并分析减震垫刚度、轨下纵梁刚度和轨枕板形式等关键参数对开口肋正交异性钢桥面板疲劳应力的影响。然后,根据工程实际,确定城轨交通桥正交异性钢桥面板基准结构及各设计参数变化范围,基于上述有限元模型对顶板厚度,板肋厚度和间距,横隔板间距、高度和厚度及开孔半径进行分析,得到各参数影响系数并提出轨下开口肋正交异性钢桥面板疲劳应力计算组合系数法。最后,用算例验证该方法的合理性和可靠性,计算误差在10%以内,可为疲劳设计提供参考。

独斜塔斜拉桥预应力索塔锚固区模型试验研究

为保证厦门马新大桥索塔锚固区安全,根据其小半径环向预应力索塔锚固区、非对称受力的4个重要工作状态(预应力施工、正常使用、单索作用和超载),采用斜向加载,进行了足尺模型试验和空间精细有限元分析.结果表明:计算值与试验结果吻合较好,有效预应力对锚固区受力影响很大,索非对称布置对锚固区受力影响不大;环向预应力锚固区极限承载能力超过1.7倍设计索力荷载,安全可靠.

开口肋正交异性钢桥面疲劳设计参数研究

为评估重庆两江大桥单索面斜拉桥正交异性钢桥面板疲劳设计参数的合理性,对由盖板、板肋和横隔板组成的箱形正交异性钢桥面板模型进行了疲劳试验和有限元分析.基于应力等效方法,对桥面板、横隔板与纵肋三向交叉部位,进行了竖向和横向双向加载试验、等效实桥疲劳应力幅值2 000万次作用疲劳试验,在此基础上,分析了3种开孔方式、构造细节、横隔板厚度及铺装层厚度等因素对疲劳性能的影响.研究结果表明:横隔板厚度和铺装层厚度对疲劳性能的影响很大;与钥匙形和圆形相比,苹果形开孔结构的主拉应力最小,为13.7 MPa,疲劳性能最优.建议开口肋正交异性板构造横隔板厚度大于16 mm,并采用苹果形开孔方式.

基于临界域法的桥梁钢丝腐蚀疲劳寿命

为评估桥梁钢丝服役期间的腐蚀疲劳性能,采用临界域法,根据钢丝腐蚀坑局部应力梯度求解临界距离.采用精细有限元法,建立了钢丝腐蚀疲劳寿命预测模型;通过圆形、三角形和含切口的三角形3种形状腐蚀坑钢丝的疲劳试验,获得了它们的疲劳寿命,并与疲劳寿命的预测结果进行比较.研究结果表明:轴向应力分布决定钢丝的疲劳强度;临界距离随应力集中效应增强而减小;腐蚀钢丝的剩余寿命可根据应力集中系数评估,应力集中系数大于3的腐蚀钢丝应考虑更换.

大跨斜拉桥预应力索塔锚固区受力机理及试验

为保证斜拉桥索塔锚固区受力可靠,基于受力特征和平面框架分析模型,推导了不同受力阶段预应力小半径大吨位环向U型预应力索塔锚固区控制截面环向应力的计算公式.结合实际工程,建立空间有限元模型,并进行预应力索塔锚固区斜向加载的足尺模型试验,得到了预应力施加阶段、正常使用阶段和非对称加载阶段塔壁的应力分布规律,通过与试验结果进行对比,验证了本文提出公式的适用性.研究结果表明:斜拉索水平力主要由环向预应力筋承担,非对称受力对锚固区受力影响不大,所提出的简化方法可为索塔锚固区设计提供参考.

重庆两江大桥正交异性钢桥面板疲劳性能试验研究

为评估重庆两江大桥正交异性钢桥面板双向荷载下的疲劳性能,对由盖板、板肋和横隔板组成的箱形正交异性钢桥面板模型进行疲劳试验研究和有限元分析。采用应力等效方法,板肋与横隔板交叉细节部分采用1:1足尺模型,横隔板开孔分别采用苹果形和钥匙形,面内和面外双向疲劳加载完成正交异性板结构设计寿命期及超长服役期的等效实桥疲劳应力幅作用下2 000万次疲劳试验。有限元值和实测值较吻合。在疲劳试验基础上,讨论横隔板开孔边缘、纵肋与横隔板焊接以及纵肋与盖板焊接3个关键部位的疲劳性能。研究结果表明:双向荷载作用下横隔板产生面外弯曲变形,易导致面外疲劳;正交异性钢桥面板构造未发现裂纹,疲劳寿命远超过设计寿命期。根据欧洲规范的疲劳等级分类检算,其疲劳强度满足使用要求。

大跨斜拉桥混凝土索塔锚固结构形式比较

针对索塔锚固结构常用的两类基本形式(环向预应力和钢混组合结构),结合相关足尺模型试验,详细比较了三种典型锚固构造的传力机制、应力分布、索力分配,总结出各自受力要点和改善应力分布的一些措施;提出承载效率作为评价指标。结果表明:两类形式均适用于大跨斜拉桥,环向预应力锚固形式优势明显。

无粘结预应力CFRP板加固受损钢梁疲劳试验研究

老旧钢桥在长期运营过程中容易疲劳开裂,严重影响桥梁结构安全,为改善受损钢梁构件的疲劳性能,采用大比例疲劳模型试验对无粘结预应力碳纤维增强复合材料(CFRP)板加固受损钢梁进行研究,基于Paris公式提出疲劳强度-寿命(S-N)曲线的确定方法,并分析不同预应力水平对受损钢梁寿命影响.对不同预应力水平CFRP板加固的双缺口受损钢梁在循环荷载下进行疲劳试验,结果表明:施加预应力可降低裂纹扩展速率和受损钢梁残余挠度超过40%,最少可延长受损钢梁的疲劳寿命3倍;最高预应力水平所加固的受损钢梁,其疲劳寿命最少提高了8倍,且预应力CFRP板加固后缺口钢梁疲劳强度等级由51 MPa提高到75 MPa.理论预测结果与试验结果符合较好,可作为推荐方法.

波形钢腹板组合梁弯曲变形的三角级数解

为研究波形钢腹板剪切变形对波形钢腹板组合梁弯曲变形行为的影响,采用三角级数拟合简支波形钢腹板组合梁的变形曲线,各构件弯曲变形满足平截面假定,基于最小势能原理,推导了简支和悬臂波形钢腹板组合梁分别在均布荷载和集中荷载作用下的弯曲变形解析解和简化解;基于简化解推导出考虑剪切变形的波形钢腹板组合梁挠度增大系数,并给出对考虑剪切变形影响与否的高跨比界限;采用有限元方法验证了解析解和简化解的正确性和适用性.研究结果表明:所提方法边界条件明确、推导过程简单、结果可靠、适用性强,可为波形钢腹板组合梁的设计和变形计算提供可靠的依据.

新型正交异性钢-混组合桥面板足尺模型疲劳试验

为改善新型正交异性钢混组合钢桥面疲劳性能,采用理论推导、有限元模拟和足尺模型疲劳试验对其纵肋腹板与横隔板焊接细节进行研究.首先将由大尺寸纵肋组成的正交异性组合桥面系简化成铰接的双纵肋计算模型,然后进行足尺模型疲劳试验,分析混凝土层和钢桥面构造受力及开裂情况.结果表明:理论模型能较好反映纵肋实际力学行为;铺设混凝土层后,桥面板焊接构造细节疲劳应力得到很大改善.所提出的新型正交异性钢混组合钢桥面可作为解决正交异性钢桥面疲劳开裂问题的一种新思路.

基于饱和方法的直升机镇定设计

考虑直升机的镇定问题.通过把直升机的部分动态视为非线性扰动下的积分器链,并进一步转化为前馈型系统,然后运用饱和设计方法,给出了直升机镇定控制器的设计.并用Lyapunov方法证明了闭环系统的全局渐近稳定性.本文设计方法简单,无需前推、反推技巧,也无需小增益分析.与现存的控制器设计相比,本文的控制律形式简单.数例仿真表明了方法的有效性.

预应力CFRP板加固钢板受拉疲劳性能试验研究

为较好地预测预应力碳纤维材料(CFRP)板加固钢结构的疲劳性能,采用考虑有效应力强度因子幅的Pairs公式,分析了粘贴预应力CFRP板加固钢板的疲劳裂纹扩展行为.通过粘贴CFRP板的含中心孔的预制裂纹钢板的疲劳试验,分析了应力比、CFRP板刚度、预应力及粘结胶性能等因素对疲劳裂纹扩展的影响.试验结果表明:加固后结构的疲劳寿命提高16倍以上,疲劳寿命的理论分析结果偏于保守;预应力是疲劳寿命的主要影响因素,而CFRP板和粘结胶性能的影响有限;应力比对疲劳寿命的影响很大,因此,对交通荷载的正确预估是加固能否取得成功的基础.

斜拉桥扁平钢箱梁悬拼阶段截面对接变形有限元分析

以黄埔大桥北汊桥独塔双索面扁平钢箱梁斜拉桥为工程背景,采用混合单元建立三维有限元模型,分析了梯度温度变化、桁架式纵隔板位置和刚度对悬拼施工中钢箱梁的横向变形问题的影响,并提出了一些相应的优化措施。分析结果表明:在自重和吊装作用力情况下,被吊装梁段和吊机作用梁段两者的变形差很大,使得梁段组装产生很大困难;钢梁自重及截面刚度是影响截面变形的主要因素。梯度正温差比负温差对截面的变形影响更大,梁段的吊装对接应该安排在气温稳定的时间。提高纵隔板的刚度和合理的布置位置可有效改善梁段整体刚度,减少截面变形差,使得吊装对接施工顺利进行。

桥梁缆索腐蚀镀锌钢丝的疲劳强度试验研究

为研究桥梁缆索镀锌钢丝的腐蚀程度、缺口形状对钢丝疲劳性能的影响规律,对3种腐蚀程度的镀锌钢丝进行疲劳试验,并根据腐蚀试件设计人造圆形、三角形和含切口的三角形缺口试件,采用试验和有限元法研究缺口试件的疲劳强度。结果表明:钢丝腐蚀越严重,腐蚀坑区域越集中,腐蚀坑越深,且疲劳强度随腐蚀程度加深而降低;在400MPa应力幅的循环作用下,圆形缺口试件到100万次仍没破坏;三角形缺口试件的疲劳强度低于圆形的,寿命很短;带切口的三角形缺口试件寿命更短,且与切口长度无关;三角形缺口试件的S～N曲线与实际腐蚀钢丝的S～N曲线有相似的趋势;缺口应力集中系数实测和有限元计算值表明缺口形状是疲劳强度降低的主要因素。