PPC斜拉桥主梁多状态疲劳及疲劳后静力性能试验研究

为研究大跨径部分预应力混凝土(PPC)斜拉桥主梁的抗疲劳性能,进一步探究混凝土斜拉桥主梁采用部分预应力设计的可行性及合理性,制作了斜拉桥缩尺节段模型,并对主梁采用部分预应力设计,开展4轮共4×250万次主梁具有不同初始损伤及带裂缝工作状态下的疲劳试验;疲劳试验结束后,以4种不同主梁裂缝宽度(0.1mm、0.2mm、0.3mm和0.5mm)为控制工序,反复加载一定倍数的等效活载至主梁裂缝宽度逐步达到0.5mm,以全面研究PPC斜拉桥主梁多状态疲劳后的受力性能。试验结果表明:在等效设计疲劳荷载作用下,主梁无初始损伤时,体系刚度基本无退化,主梁最大裂缝宽度预损伤分别为0.1mm、0.2mm时,跨中截面体系刚度下降量仅为3.35%、4.44%,且未发现裂缝张开;主梁带裂缝工作状态下,跨中截面体系刚度平缓下降7.46%,上峰值静载下,裂缝数量及高度略有增加,但卸载后裂缝均闭合,说明PPC斜拉桥具有良好的抗疲劳性能;疲劳后主梁大损伤静载试验中,主梁裂缝平稳发展,各工序反复加载过程中,主梁挠度、裂缝状态及斜拉索索力均具有较好的恢复能力,当主梁最大裂缝宽度为0.5mm时,荷载达到了7.49倍活载,斜拉桥体系仍然具有较大的剩余承载力。该文试验研究结果表明混凝土斜拉桥主梁采用部分预应力设计具有工程应用的可行性。

钢桥复杂构造疲劳裂纹跨尺度扩展与寿命预测

针对传统宏观唯像学方法无法描述钢桥疲劳损伤由微观到宏观的多尺度演化过程的问题,建立了可描述钢桥复杂构造疲劳裂纹跨尺度扩展与寿命预测方法.首先,结合微观晶体塑性本构模型,建立了以能量耗散理论为基础的微观短裂纹成核与扩展模型.同时,结合线弹性断裂力学,建立了宏观长裂纹扩展模型.在此基础上,以钢桥典型的纵肋与顶板焊接构造细节为研究对象,结合既有疲劳试验,模拟并验证了微观短裂纹的成核、扩展,以及宏观长裂纹扩展全过程.数值模拟结果与试验结果基本一致,表明所提出的疲劳裂纹跨尺度扩展与寿命预测方法对于钢桥复杂构造细节疲劳损伤演化与评估具有较好的适用性.

钢橡胶组合防撞装置试验与动力性能研究

为减少船桥撞击损伤,提出一种新型的钢-橡胶组合防撞装置.首先设计3组大比例试验构件,通过拟静力试验研究装置整体受力性能、破坏模式以及承载力;然后通过试验验证有限元模型,明确了焊缝对结构受力的影响,进行了装置整体动力性能分析.结果表明:钢-橡胶组合防撞装置由于填充轮胎的支撑作用,承载能力明显高于空筒防撞装置;钢-橡胶组合防撞装置具有很好的缓冲消能效果,在正撞和20°斜撞工况下耗能均达到35%以上,满足阻碍船舶与桥墩撞击的功能;回收轮胎不仅实现了一定的拨转功能,还起到耗能作用,轮胎填充能提升耗能5%以上,对船有回弹作用;同时,轮胎的填充不仅能提升自浮性能,更提升了装置整体性能.

焊接残余应力对钢桥面疲劳性能的影响与处理措施

为改善正交异性钢桥面的抗疲劳性能,对钢桥面进行退火处理以降低关键焊缝的焊接残余应力。首先系统性地回顾和探讨钢桥面焊接残余应力分布模式,同时就残余应力对疲劳裂纹发展的影响进行了文献分析。随后,归纳和总结了国内外主流焊接残余应力消除方法,并开展对比分析。借鉴压力容器制造方法,建议在正交异性钢桥面制造中引入退火处理工艺以降低焊接残余应力。研究聚焦钢桥面中疲劳问题较突出的顶板与U肋连接焊缝,设计了16个(其中9个退火处理,7未作处理)局部足尺单U肋试件进行残余应力测试与疲劳试验。试验结果表明,退火处理后焊缝残余应力实测值降低约80%,疲劳强度提高约23%。可以看出,退火处理可以大幅降低焊接残余应力,从而有效提升钢桥面抗疲劳性能。

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。

随机轮载下钢桥面顶板与纵肋焊缝疲劳裂纹扩展特性研究

车辆轮迹横向分布是钢桥面板焊缝处产生随机应力谱的一项关键因素,加之焊接缺陷形态的随机性,诱发钢桥面板疲劳裂纹随机扩展行为。为了研究钢桥面顶板焊缝处疲劳裂纹的随机扩展特性,基于断裂力学理论与扩展有限元方法分析了轮迹横向分布对钢桥面板顶板焊根和焊趾等效应力强度因子的影响规律,揭示了轮迹横向分布离散度、初始裂纹深度和初始裂纹形态比对焊缝处疲劳裂纹随机扩展路径分布的影响规律。结果表明:轮载中心处于U肋正上方中心和焊缝中心位置分别为顶板焊趾和焊根的最不利横向加载工况;车辆轮迹横向分布对顶板焊根和顶板焊趾疲劳裂纹前缘应力强度因子影响差异显著,顶板焊根最大等效应力强度因子为85.99 MPa·mm^(1/2),比顶板焊趾增加了6.72%;轮迹横向分布离散度和初始裂纹深度与钢桥面板焊缝处疲劳裂纹随机扩展路径分布离散程度成正相关,初始裂纹形态比与其成负相关;焊缝细节初始裂纹深度越大,车辆荷载对其横向影响范围越大;焊缝细节初始裂纹形态比越大,车辆荷载对其横向影响范围变化不明显。

正交异性钢桥面板声发射波三维谱元法模拟及损伤定位

针对大跨度桥梁正交异性钢桥面板的疲劳损伤评估与结构健康监测需求,开展基于声发射波场谱元法模拟的大型复杂板类结构损伤定位研究。采用Legendre高阶插值三维时域谱元法模拟声发射波在正交异性钢桥面板中的传播过程,验证了其内部显著的反射、衍射和频散现象,并代替人工预断铅实测试验获得大量声发射数据。然后,利用赤池信息准则判定声发射波到达各传感器的时间,通过高斯过程回归建立到达时差与声发射源位置的关系模型,用于未知损伤的定位监测。数值模型实验结果表明,赤池信息准则和高斯过程回归改进的时差图法在正交异性钢桥面板中的平均定位误差为37.3 mm(25 dB信噪比工况),平板的定位精度高于U肋。谱元法模拟有望代替繁琐的预断铅实测试验,提升声发射时差图系列损伤定位方法的实用性。

随机车流作用下拱桥吊杆疲劳性能研究

为研究吊杆的疲劳性能,以某拱桥为工程背景,在MATLAB中使用蒙特卡洛抽样建立考虑车型、车道、车距、车速、车重5种参数的随机车流模型,使用ANSYS求解吊杆在随机车流荷载作用下的应力时程,评估吊杆的疲劳损伤和寿命。结果表明,跨中长吊杆和拱脚附近的短吊杆疲劳损伤值高于其他吊杆;车流密度越大,吊杆疲劳损伤值越大,个别吊杆的不同车流密度下疲劳损伤值可相差20倍;车流密度对吊杆疲劳寿命影响很大,尽可能使用长时间的实测车流数据才能得到满意的预测结果。

基于计算机视觉的钢桥螺栓松动检测方法

为提高螺栓松动检测的智能化水平,提出一种基于计算机视觉的钢桥螺栓松动检测方法。首先基于深度学习理论建立关键点检测模型,对采集的螺栓图像进行标注并建立数据集;然后分别训练目标检测模型YoloV5和关键点检测模型,并利用训练后的模型自上而下检测螺栓关键点,根据关键点确定螺栓中心点位置,以中心点的相对位置求解透视变换矩阵,利用透视变换矩阵对关键点进行重投影;最后根据关键点的位置变化检测螺栓是否发生松动。结果表明:训练后的YoloV5模型和关键点检测模型可准确检测出螺栓的关键点;关键点的检测精度受图像采集条件影响且对角度更为敏感;利用所有中心点拟合透视变换矩阵的最小二乘解可提高图像几何矫正的精度;不同图像采集环境下,松动螺栓的检测误差在0%~9.6%之间,误检率为2.7%,表明本方法的检测精度和稳定性均较高,具有较好的实用价值和广阔的工程应用前景。

正交异性钢桥面板双轴疲劳性能评估

为精确评估正交异性钢桥面板在双轴应力状态下的疲劳性能,以东营胜利黄河大桥为背景,建立该桥正交异性钢桥面板顶板、U肋、横隔板交叉连接部位焊缝的节段三维有限元模型,采用等效结构应力法对正交异性钢桥面板体系的双轴疲劳问题进行研究;通过模型试验验证正交异性钢桥面板体系的双轴疲劳特性,并进行其构造细节疲劳寿命评估。结果表明:弧形切口起焊点的疲劳裂纹萌生位置在横隔板下方焊趾处,经历裂纹萌生、裂纹稳定扩展和裂纹失效3个阶段,最终失效阶段裂纹形式为Ⅱ型裂纹主导的Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹,此为该桥正交异性钢桥面板结构体系的主导疲劳失效模式;顶板焊缝焊趾及弧形切口起焊点焊趾处于双轴应力状态,面内剪切结构应力幅对疲劳应力的影响显著,按单轴疲劳应力进行寿命预测误差较大,按单轴疲劳应力状态对结构进行疲劳寿命设计偏于不安全;基于组合等效结构应力法的计算值与试验值吻合较好,各焊接细节计算得到的最大值下的疲劳裂纹起裂位置均与试验结果一致,按双轴疲劳应力预测疲劳寿命与试验值吻合较好,疲劳寿命评价精确度较高。

焊接工艺对钢管混凝土拱桥拱肋相贯节点残余应力的影响

为研究焊接工艺对钢管混凝土拱桥拱肋相贯节点残余应力的影响,基于建立的热力顺序间接耦合的有限元分析方法,对拱肋相贯节点的焊接温度场和残余应力场进行数值模拟,结合文献试验结果验证了有限元分析方法的准确性。然后对湘渝高速双堡桥拱脚处拱肋相贯节点进行焊接温度场和残余应力场的数值模拟。在此基础上,通过参数分析研究对比了不同焊接热输入和焊接速度以及进行焊前预热和焊后热处理等不同焊接工艺对拱肋相贯节点不同位置的残余应力影响。结果表明:不同焊接热输入和焊接速度下拱肋相贯节点的焊接残余应力分布规律基本一致,变化规律表现为焊接残余应力与焊接热输入呈正相关关系,与焊接速度呈负相关关系;随着焊接热输入的减小和焊接速度的提高,拉压残余应力整体减小,拱肋相贯节点经过焊前预热150~200℃以后,残余应力的峰值应力总体降低4%以上,但焊前预热对残余应力分布基本没有影响,更高的焊前预热温度能更有效地降低残余应力的峰值应力;拱肋相贯节点经过550~650℃保温温度下保温4 h的焊后热处理以后,焊接残余应力总体降低幅度在40%以上,更高的保温温度能更有效地降低焊接残余应力;钢管混凝土拱桥拱肋相贯节点可通过减小焊接热输入和提高焊接速度的焊接工艺、焊前预热处理和焊后热处理来减小焊接残余应力。

疲劳荷载作用下钢-混组合梁界面滑移对其性能影响研究

为分析界面滑移对钢-混组合梁疲劳性能的影响,在考虑界面滑移影响的栓钉疲劳刚度退化模型基础上,提出考虑界面滑移损伤的钢-混组合梁疲劳性能分析方法,以某工字钢-混组合连续梁为背景开展缩尺模型试验,建立考虑界面滑移损伤的钢-混组合梁疲劳性能分析模型梁,对比分析疲劳加载过程中试验梁与模型梁的疲劳性能,并进行界面滑移系数影响因素的参数分析。结果表明:疲劳荷载作用下,钢-混组合梁中钢梁下翼缘发生开裂,并最终导致组合梁失效,加载过程中钢-混组合梁跨中挠度及界面残余滑移均呈现明显的三阶段特征;模型梁跨中挠度及界面残余滑移随加载次数的变化趋势分析结果与试验梁吻合良好,验证了考虑界面滑移损伤的钢-混组合梁疲劳性能分析方法的可行性;疲劳荷载作用下钢-混组合梁界面滑移将引起钢梁中应力增加,从而降低组合梁疲劳寿命,建议在疲劳寿命预测中引入界面滑移疲劳折减系数,建议其取值为1.2。

车辆动力作用对拓宽桥现浇混凝土拼接缝的不利影响及控制对策

移动车辆动力作用是对拓宽桥现浇混凝土拼接缝性能产生不利影响的重要因素。考虑汽车与桥梁动力相互作用特征,开展拓宽桥梁拼接缝施工过程合理控制对策研究十分必要。首先分析了交通荷载引起的振动对拓宽桥现浇拼接缝混凝土的影响机理,依据相关试验研究成果,提出了竖向相对变形和振动速度的控制指标。以标准跨径常用装配式混凝土梁桥为对象,依据已开展的考虑多因素影响车桥耦合振动分析大样本数据统计研究结果,提出一种交通管制与分段浇筑施工相结合的综合控制措施设计方法。工程实例分析表明,该方法具有很好的工程适用性和控制效果。

基于注意力机制的YOLOv5网络对混凝土桥梁裂缝识别的研究

为进一步提高混凝土桥梁裂缝识别的准确率,并提高识别效率,基于一阶段目标检测算法中的YOLOv5算法和注意力机制模块,提出了YOLOv5_CBCA算法。在CBS(Convolution,Batch Normalization,SiLU)模块中融入注意力机制CBAM(convolutional block attention module)模块以减少降采样对特征提取的影响,骨干网络尾部添加CA(coordinate attention)模块降低图像背景的影响,从而提高目标定位的准确性。通过消融实验、对比实验,验证了YOLOv5_CBCA算法中改进模块的有效性。通过对双龙堡大桥、钟家大桥等混凝土桥梁裂缝图片进行检测,证明了YOLOv5_CBCA算法在提高准确率的同时具备更好的抗干扰能力,体现了在混凝土桥梁裂缝检测方面的优越性,为一阶段目标检测算法在混凝土桥梁裂缝识别工作中的应用提供了参考。

应急钢桁梁桥钢销节点疲劳性能分析

应急钢桁梁作为拼装式结构,反复安拆及倒运过程中可能导致销孔连接位置出现损伤,对其使用寿命产生影响。以某128 m跨应急钢桁梁桥为研究对象,缩短销孔边距,模拟钢桁梁销孔损伤影响,开展疲劳性能试验及仿真模拟,研究钢销节点疲劳性能。结果表明,静力仿真结果与疲劳试验结果具有较好的一致性,验证了模型的可靠性;试验钢销节点损伤后的疲劳寿命仅为16980次,FE-SAFE仿真分析求得疲劳寿命为20592次,两者较为接近,进一步验证了疲劳试验结果的可靠性。考虑销孔损伤的疲劳寿命与正常状态相比差异显著,说明销孔损伤会大幅降低其疲劳寿命。因此应注意应急钢桁梁杆件保护,同时加强钢销节点质量控制。

基于时频相干函数的多跨梁损伤识别方法

为解决连续小波变换损伤识别方法受边界和约束干扰的问题,提出一种基于时频相干函数的结构损伤识别方法。该方法通过时频相干函数构造损伤识别指标对多跨梁进行损伤识别,能够有效降低边界和约束对损伤识别的干扰,提高损伤的定位精度。通过对梁模型的数值仿真分析与实验验证,结果表明:通过时频相干函数构造的损伤指标,有效地消除了连续小波变换所带来的边界效应和约束的影响,能够实现对多跨梁损伤的准确定位,且在噪声干扰下依然具有良好的损伤定位能力。

基于PDEM的正交异性钢桥面板焊接节点时变疲劳可靠度评估

提出了基于概率密度演化方法的正交异性钢桥面板焊接节点时变疲劳可靠度评估方法,并以润扬大桥顶板-U肋焊接节点为对象开展应用研究。首先,基于S-N曲线和Miner准则,构建了可同时考虑疲劳性能退化和荷载效应增长的钢桥面板焊接节点疲劳极限状态函数,并导出其概率密度演化方程。然后,采用有限差分法求解该方程,据此得到概率密度演化曲面,进而建立其时变疲劳可靠度评估方法。最后,通过工程实例验证了所提方法的可行性和准确性,并探讨了疲劳性能退化和荷载效应增长对该节点时变疲劳可靠度的影响规律。研究表明:与Monte Carlo法相比,该方法不仅精确高效,还能捕捉概率密度演化信息;疲劳性能退化和荷载效应增长会显著影响钢桥面板焊接节点的疲劳寿命。

U肋全熔透焊接正交异性板构造疲劳性能试验研究

为研究U肋与钢桥面不同焊接工艺接头的疲劳性能,以主跨408 m的中承式连续钢桁拱桥——武汉汉江湾桥主桥为背景,在传统单面埋弧焊基础上,提出一种先平位内焊再船位外焊的双面埋弧全熔透焊接技术,制作不同焊接工艺U肋与钢面板试件,开展丁字接头弯曲疲劳试验、焊接接头拉伸疲劳试验及3种典型构造细节疲劳试验,分析U肋与钢面板构造细节疲劳性能。结果表明:不同焊接方式下U肋与钢面板的疲劳强度差异明显,埋弧焊丁字接头的疲劳强度较高,大于342 MPa。U肋与钢面板双面埋弧熔透焊试件轴向拉伸状态下最低疲劳强度121.6 MPa,在-50~50 MPa拉-压循环应力幅和100 MPa拉应力幅下试件均未开裂;在120 MPa拉应力幅下,疲劳开裂加载次数均大于200万次,顶板内侧焊缝焊趾发生疲劳开裂。U肋与钢面板双面埋弧全熔透焊接构造细节疲劳性能优于单面焊及不开坡口的双面焊部分熔透构造细节,可以提高结构的耐久性和使用寿命。

桥上爆炸作用下正交异性钢桥面板的破坏模式

针对桥上爆炸作用下正交异性钢桥面板,开展了基于钢板爆炸试验验证的数值模拟研究。分析了美国联邦应急管理署(FEMA)规定的五种威胁类型爆炸作用下泰州长江大桥钢桥面板的破坏机理,揭示了桥面板不同构件的破坏模式。主要结论如下:(1)所有爆炸工况中,均观察到顶板花瓣状破口、U肋断裂及撕裂和横隔板塑性变形。对于较大炸药量工况(1814 kg TNT、4536 kg TNT和13608 kg TNT),桥面板破坏模式还包括横隔板面外弯曲、局部屈曲和断裂、底板U肋断裂以及底板破口。(2)对于较小炸药量工况(227 kg TNT和454 kg TNT),桥面板主要耗能机制为顶板和顶板U肋耗能,总耗能占比超过70%;而较大炸药量工况桥面板主要耗能机制为顶板、顶板U肋、横隔板、底板和底板U肋共同耗能,总耗能占比超过90%。

基于扩展有限元法的钢桥面横隔板弧形切口疲劳裂纹扩展特性研究

为了解正变异性钢桥面板横隔板弧形切口疲劳开裂的规律,以某跨径350 m的独塔单跨钢箱梁自锚式悬索桥为背景,基于扩展有限元法建立纵肋-横隔板弧形切口多尺度裂纹扩展数值模型,求解弧形切口在轮载作用下的应力强度因子,分析轮载-热残余应力耦合作用下的疲劳裂纹扩展形态和特性。结果表明:当顺桥向车轮作用于弧形切口正上方时,应力强度因子急剧增大,基于该响应曲线可以识别疲劳荷载模型的轴组,但无法识别轴组内的单轴。弧形切口切向热残余拉应力峰值达到341.1 MPa,使得轮载作用下的压应力幅转换为拉应力幅,裂纹扩展方向与实桥疲劳裂纹的扩展形态基本吻合。由于弧形切口处于复杂的三维变形状态,以面内变形为主,因而弧形切口为Ⅰ型断裂主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹扩展模式,裂纹扩展速率与应力强度因子幅均随着裂纹扩展呈现出先增大后减小的趋势。