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。

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。

接触压力下CFRP板-钢界面摩擦系数试验研究

CFRP板-钢界面摩擦系数是预应力CFRP锚具锚固性能的关键参数,为增大摩擦系数以提高锚固效率,首先采用抛光处理、化学腐蚀和滚花等得到不同粗糙度的钢夹片表面,然后对CFRP板-钢夹片界面在20~100MPa的接触压应力下的摩擦行为进行静力张拉试验,分析不同CFRP板厚、钢表面粗糙度和接触压力的CFRP板-钢夹片的摩擦力-滑移曲线和界面磨损情况,得到CFRP板-钢界面的静、滑动摩擦系数。结果表明,短期力学试验条件下静摩擦系数实测值范围为0.11~0.33,滑动摩擦系数较小,范围为0.04~0.31。接触压力作用下钢夹片表面粗糙颗粒对CFRP表面产生的犁沟效应是摩擦力的来源,而随着CFRP板-钢界面磨损量增加,滑移后产生自润滑效应,导致滑动摩擦系数减小。摩擦系数主要取决于CFRP板厚、接触面粗糙度和接触压力的相互匹配,较厚CFRP板具有较大的摩擦系数。

基于三角级数解的钢-混凝土组合梁弹性弯曲变形计算方法

目前针对考虑界面滑移效应的钢-混凝土组合梁的弯曲变形计算公式缺乏广泛适应性,不便于组合梁结构设计。为此,采用三角级数构造组合梁弹性弯曲变形和界面滑移的位移函数,根据最小势能原理和变分法,推导了简支组合梁在不同荷载类型下的弹性弯曲变形和界面滑移的计算公式,进而得到考虑滑移效应的组合梁抗弯刚度和界面滑移值的统一显式解。通过与大量已有文献中的试验值和既有计算方法比较,验证了其有效性和准确性。结果表明:根据三角级数解推导出的钢-混凝土组合梁弯曲刚度计算公式简洁直观,物理意义明确,结果可靠,所提出的方法适用于精确计算正常使用状态下组合梁弯曲变形。