钢-混组合桥梁栓钉腐蚀疲劳失效及力学性能退化机理试验研究

腐蚀环境中钢-混组合桥梁的栓钉连接件可能因腐蚀-疲劳耦合作用而劣化,为此设计制作3组10个栓钉推出试件,分别进行腐蚀后的静力、疲劳性能试验和腐蚀-疲劳耦合试验,研究栓钉的腐蚀-疲劳失效及力学性能退化机理。结果表明:腐蚀作用使得栓钉抗剪刚度显著退化;腐蚀-疲劳耦合作用下栓钉疲劳寿命明显低于腐蚀后疲劳寿命;栓钉初始疲劳裂纹产生于钉杆靠近焊趾截面的剪力作用侧,以剪切裂纹扩展为主,当疲劳裂纹或腐蚀疲劳裂纹发展至约1/2栓钉直径后,栓钉在拉-剪组合应力作用下断裂;影响栓钉损伤发展速率的主要因素为荷载比、腐蚀速率及腐蚀-疲劳耦合作用;腐蚀-疲劳耦合作用下栓钉抗剪刚度退化速度大于疲劳单独作用下,抗剪刚度退化包括快速退化和缓慢退化2个阶段,前一阶段约占栓钉腐蚀疲劳寿命的20%。

预应力混凝土梁腐蚀断丝水下监测试验研究

采用人工通电加速腐蚀的方法模拟混凝土梁内预应力钢筋的自然断裂过程从而获得真实的断丝声发射信号,应用高频声发射传感器和分布式光纤监测系统从水下采集预应力钢筋断裂时产生的声信号,分析信号的时频域特征和时域统计特征参数,结果表明:断丝信号的超声波段在水中传播时发生频散,应采用20 kHz以下的时域统计特征识别断丝信号;铠装光缆可以接收到在水中传播的断丝信号,其在时频图上表现为一条竖直的条带,并且能量主要集中分布于100~200 Hz。采用时域统计特征参数分析光纤监测信号时,需要设定较小的门槛值截取信号进行分析;对于光纤水声监测工况来说,峰值指标的信噪比较低,裕度和峭度指标更适合于用来识别断丝信号。该研究为开发预应力混凝土结构断丝水下声光纤监测系统奠定了基础。

爆炸作用下超宽自锚式悬索桥动力响应研究

为研究超宽混凝土自锚式悬索桥在爆炸荷载作用下动力响应和毁伤特征,以某超宽混凝土自锚式悬索桥为工程背景,采用数值模拟文法,分析桥面近距爆炸作用下超宽箱梁顶面破口形态、底板竖向位移等动力响应。首先,利用Solidworks软件和Hypermesh软件建立整体桥梁的精细化有限元模型;其次,采用Ansys/LS-DYNA软件和*LOAD_BLAST_ENHANCED(LBE)方法施加爆炸荷载,并结合文献中混凝土构件爆炸试验结果验证计算方法的可靠性;最后,参数化分析不同炸药当量和沿横纵桥向不同爆炸位置工况下桥梁的动力响应。结果表明:当TNT当量为300 kg时,爆心正下方混凝土单元应力达极限值发生失效,形成椭圆形贯穿破口。随着TNT药量的增大,爆心正下方底板中心处的竖向位移峰值不断增大,1 000 kg药量工况下爆炸50 ms后竖向位移达135.9 mm。随着至爆心的距离增大,底板竖向位移减小,且竖向位移的增大速度减缓。吊杆内力变化与相连的箱梁底板竖向位移具有相关性,箱梁底板竖向位移越大,吊杆内力变化达到第一峰的峰值越高。相同爆炸当量工况下,爆心处于横、纵桥向不同位置时,超宽箱梁动力响应和破口形态的区别主要由横隔梁、腹板的支撑和约束作用不同引起。研究结果可为混凝土自锚式悬索桥的抗爆防护与加固提供重要依据。

桥面铺装钢筋网焊接接头疲劳性能研究

为了解桥面中焊接钢筋网的抗疲劳性能,指导工程应用和性能改良,利用CRB550级冷轧钢筋焊接制作成钢筋网,并截取其中带焊接接头试件进行高周疲劳试验。结果表明:钢筋网在焊接过程中会产生许多原生缺陷,在疲劳荷载作用下,裂纹源区沿着焊缝分布,裂纹扩展区面积更大,次生裂纹和空洞数量更多,导致焊接接头试件的弹性模量相比母材的下降速度更快,疲劳寿命更短,在0.55R_(p0.2),0.6R_(p0.2),0.65R_(p0.2)和0.7R_(p0.2)应力加载水平下,焊接接头的疲劳寿命比母材试件的分别降低31.5%,48.38%,47.98%和26.99%;根据试验成果,建立起钢筋网焊接接头的应力-寿命幂函数预测模型,可对任意应力水平下钢筋网的寿命值进行分析,为工程实践提供借鉴。

横向静载作用下轨道交通预应力混凝土U型梁裂缝开展研究

为探究轨道交通预应力混凝土U型梁结构在腹板横向受力情况下的裂缝开展状况,通过回顾总结其裂缝开展成因,并以实际工程中的某标准梁段为例,进行了横向静载破坏试验,分析了U型梁结构在横向受力下的应变、挠度变化规律以及裂缝发育和损伤状况。研究结果表明,在横向对称荷载作用下,随着加载级的增大,U型梁展现出良好的整体性能和横向抗裂性能;该梁的裂缝损伤首先出现在腹板和底板处,随后逐步扩展到底板与腹板的连接部位;在破坏加载级下,腹板与翼缘发生破坏性裂缝损伤和明显的外扩变形;在高于规范撞击力建议值2倍的横向静载作用范围内,试验梁能够保持弹性工作状态,验证了采用美国ACI规范中对于列车脱轨撞击力的建议值进行U型梁横向抗撞设计的合理性。该研究成果可为轨道交通预应力混凝土U型梁的力学性能研究和结构优化设计提供更多参考。

大跨长挑臂钢箱组合梁桥抗风性能试验研究

为了解大跨长挑臂钢箱组合梁桥抗风性能及选取合适的声屏障形式,以挑臂长7.5 m的钢箱组合梁桥——临猗黄河大桥为背景,基于有限元计算的施工及成桥阶段桥梁动力特性指标,制作1个缩尺比1∶50的最大悬臂施工状态钢箱梁、2个缩尺比1∶60的成桥状态不同声屏障设置形式(直线形、折线形,高度均为2.5 m)钢箱组合梁节段模型进行风洞试验,分析施工和成桥状态主梁断面的涡振、颤振和驰振性能。结果表明:施工状态的钢箱梁抗风稳定性良好,涡振、颤振和驰振性能均满足设计要求;常遇风攻角为0°、±3°时,成桥状态下,设置2.5 m高折线形声屏障可有效抑制主梁涡振响应,且颤振与驰振稳定性均满足规范要求;设置2.5 m高直线形声屏障的主梁发生明显的竖向涡振现象。该桥主梁最终采用2.5 m高折线形声屏障。

测压管长度对单测点信号的影响及修正效果验证

测压试验中,测压管的存在会导致风压信号产生畸变,影响后续数据分析的精度。通过实际测定测压管路频响函数,获得测压管对信号的影响规律,并揭示了“B-T理论”的不足。在实际紊流作用下研究测压管长度对单测点压力数据和模型整体力的影响,并验证“B-T理论”的修正效果。结果表明:对于单测点压力数据,测压管将不会影响数据均值和变异系数,标准差随管长增加先增后减,信号时域随管长增加而整体向均值靠近,相位则不断滞后,信号频域值随管长和频率的增加逐渐偏离真实值;对于整体力,整体阻力、各力的相关性、相干性均可认为不受测压管影响,力谱的变化规律与单测点频域值相同;“B-T理论”在信号时域上修正效果较差,在频域修正方面表现良好。

带肋斜拉索涡激振动和气动力特性的试验研究

为研究肋条安装方式(通长安装与间断交错安装)对斜拉索涡激振动和气动力特性的影响规律,进行了斜拉索节段模型的风洞试验。结果表明:只要安装肋条,就能够在一定程度上抑制斜拉索的涡激振动,在试验参数范围内,斜拉索涡激振动幅值最少可以降低46.16%;当肋条为通长安装时,会明显降低斜拉索涡激振动,但是会造成起振风速的增大或振动区间的延长;当肋条为间断交错安装时,整体抑振效果均好于通长安装情况,风攻角为15°时,肋条斜拉索的抑振效果达到了96.30%,可以用于特定来流风的环境当中;当肋条为间断交错安装时,斜拉索模型的平均阻力系数稳定在1.0~1.3,平均升力系数稳定在-0.07~0.14,具有一定的减阻效果;当风攻角α=15°和30°时,整体脉动气动力系数无明显雷诺数效应,脉动阻力系数稳定在0.025附近,脉动升力系数稳定在0附近,说明安装间断交错肋条后斜拉索具有更好的气动力效应。

基于贝叶斯后验估计的桥梁动态称重算法理论与试验研究

桥梁动态称重(bridge weigh-in-motion,BWIM)利用过桥车辆对桥梁产生的动力响应快速识别车辆轴质量。由于实测的动力响应包含测量误差,在一定程度上降低了传统BWIM算法的轴质量识别精度。为了解决这一问题,提出基于贝叶斯后验估计的桥梁动态称重算法。该算法考虑了测量误差对轴质量识别精度的影响,假设测量误差和轴质量服从高斯分布,利用测量误差的标准差和轴质量标准差得到能抑制测量误差的约束因子,推导出新的轴质量求解方程。基于数值仿真和实桥试验,分别得到传统BWIM算法和贝叶斯算法的轴质量识别精度,并进行对比分析。试验结果表明:相比于传统BWIM算法,贝叶斯算法能够有效抑制测量误差的影响,明显改善轴质量识别精度。

桥面水马布置对大跨度悬索桥涡激振动的影响

为研究桥面水马布置对桥梁涡激振动的影响,以某大跨度悬索桥为工程背景,基于计算流体力学(CFD)方法,研究不同风速、桥面水马布置方案下的桥梁断面受力情况及其周围流场的变化规律。结果表明:在桥面上布置水马能够改变桥梁断面周围流场的压力和速度分布,在桥梁上部和背风侧产生漩涡,可观察到明显的漩涡脱落现象,与无布置水马的桥梁相比,其发生涡激振动的可能性大大提升;水马与桥面边缘的距离越大,漩涡脱落现象越不明显,桥梁发生涡激振动的可能性越低。

斜风作用下超大跨跨海斜拉桥典型施工状态抖振响应研究

为研究风偏角和风速对超大跨跨海斜拉桥典型施工状态抖振性能的影响,以黄茅海大桥为背景,通过气弹模型风洞试验对斜风作用下该桥边塔最大单悬臂、中塔最大双悬臂、边塔最大双悬臂3种典型施工状态的抖振响应进行分析,并对基于气弹模型风洞试验和《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T 3360-01—2018)的等效静阵风荷载进行对比。结果表明:超大跨跨海斜拉桥各典型施工状态抖振响应最不利风偏角为0°~30°,各典型施工状态在各风偏角下的抖振响应与风速呈二次函数关系;各典型施工状态下竖向抖振响应主要由主梁一阶对称竖弯模态贡献,横向和扭转抖振响应主要由桥塔一阶横弯模态贡献;与基于气弹模型风洞试验的等效静阵风荷载相比,基于规范计算的等效静阵风荷载偏不安全,建议进一步研究超大跨跨海斜拉桥的等效静阵风荷载。

连续梁桥影响线识别与承载能力快速评估试验研究

针对桥梁静载试验过程存在的重载静置、交通阻误等问题,利用桥梁影响线具有完整反映结构各截面抗弯刚度的优势,提出一种基于影响线的桥梁承载能力快速评估方法。该方法仅利用单辆重车移动加载获取包含桥梁影响线信息、结构动力成分和车辆多轴效应的桥梁时程响应,首先采用变分模态分解剥离桥梁时程响应中的动力成分;其次根据采样频率及车辆轴距构建桥梁影响线识别数学模型,从而剔除桥梁时程响应中的车辆多轴效应,利用Tikhonov正则化解得桥梁影响线的稳定解;然后通过在桥梁影响线上开展虚拟加载,重构桥梁虚拟静力响应,并采用传统校验系数法评价桥梁承载能力。通过三跨变截面连续梁桥数值算例验证影响线识别方法的有效性,建立误差指标定量评价影响线识别结果的准确性,从而对某三跨连续钢混组合梁桥开展静载试验与承载能力快速评估试验研究,在预设车道实施车辆移动加载,识别桥梁中跨跨中截面挠度、应变影响线,进而开展虚拟加载研究,进一步验证所提承载能力快速评估方法的可行性与实用性,为桥梁承载能力“轻量化”快速筛检提供方法支撑与案例借鉴。

高速铁路声屏障动力特性试验与理论研究

研究目的:为更好地指导高速铁路声屏障结构设计与性能评估,通过开展声屏障结构动力响应现场试验,分析动力作用的传递方式,识别钢立柱与单元板等主要构件的动力行为,揭示声屏障动力作用机理,并进一步构建声屏障非线性动力分析模型,讨论板-柱连接刚度对结构动力性能的影响,研究声屏障结构频响特性,提出声屏障动力性能提升的相关建议。研究结论:(1)列车气动荷载作用下,立柱和单元板分别以弯曲振动和刚体运动为主,结构呈现非线性振动特征;(2)提出的高速铁路声屏障结构动力分析模型揭示了非线性振动作用机理,理论分析与现场实测结果基本吻合;(3)板-柱连接刚度是表征单元板约束状态和影响结构动力响应的关键参数,建议增加板-柱连接刚度相关控制要求;(4)声屏障结构动力分析方法可用于指导声屏障结构的优化设计与性能评估。

钢筋混凝土箱形拱桥挂篮施工与计算分析

随着悬臂浇筑工法在大跨径拱桥施工中的广泛应用,其施工技术和施工分析越来越受到关注。拱桥悬臂施工方法能够在保证施工质量的情况下,有效地缩短建设周期,降低施工成本及风险。结合实际工程,对钢筋混凝土箱形拱桥的挂篮施工过程进行系统介绍,并结合有限元对挂篮在施工个过程中的受力进行了分析,结果表明在四种工况下挂篮的应力、稳定性及变形均满足使用要求。该挂篮的成功运用为同类桥梁建设提供了借鉴。

节段预制拼装箱梁桥抗剪性能试验研究

湿接缝纵向拼装的方法在节段预制拼装桥梁中得到广泛应用,但是湿接缝结合面抗剪受力性能研究较为缺乏。以某高速公路20 m装配式预应力混凝土简支箱梁桥为背景,设计了节段预制拼装箱梁桥的抗剪性能足尺模型试验,对桥梁湿接缝节段的抗剪性能进行了研究,建立了试件的有限元计算模型。研究结果表明,现浇接缝和相邻节段预制箱梁的挠度在试验初期变形基本一致;当荷载超过600 kN时,挠度差明显增大;当试验荷载达到1 100 kN时,湿接缝与箱梁混凝土的结合面失去传递荷载的能力,试验模型发生破坏;采用节段预制拼装的箱梁桥,其破坏模式是先结合面开裂后湿接缝混凝土开裂破坏;施加并提高纵向预应力,可以提高拼接箱梁桥结合面开裂后的承载能力。

服役15年大跨跨海预应力混凝土梁桥荷载试验及结构性能评价

大跨预应力混凝土梁桥因其结构刚度大、行车平顺舒适、抗震性能好、施工技术成熟等优势得到广泛应用,该类桥梁在服役较长时间后,由于自然环境和超载的长期影响可能导致结构出现裂缝,并影响结构的安全承载能力,这一问题对于跨海桥梁显得尤为突出。因此,为准确评估在役跨海混凝土桥梁的实际工作状态与承载能力,通过对一座已服役15年的大跨跨海预应力混凝土梁桥进行现场静载、动载试验,并结合有限元对其振型等特性进行了分析。研究结果表明,桥梁结构的工作性能仍保持良好,但由于所处海域环境及长期服役导致的结构损伤和裂缝的影响,使其实际承载能力有所下降。研究成果可为在役同类桥梁的维修加固提供参考。

简支梁桥模态试验测点布置方式研究

《公路桥梁荷载试验规程》仅规定了桥梁模态试验时最少测点布置方式,导致模态试验数据在桥梁运维中利用率不高.为了揭示桥梁损伤与模态试验数据间的关系,基于结构动力学和损伤力学基本理论,以简支梁桥为研究对象,构建模态柔度曲率、模态柔度差曲率、模态柔度曲率差及模态柔度均值曲率差改变率等基于模态柔度矩阵的损伤识别指标,在此基础上对模态试验时拾震器的布设方式及模态数据的阶数对识别效果的影响进行研究.结果表明:模态试验时按主梁16等分布设拾振器得到的模态数据能较好完成结构的损伤识别;识别指标宜采用模态柔度曲率差;高阶模态的测试数据对损伤识别影响不明显,简支梁桥利用一阶模态试验数据构件的识别指标就能较好识别出结构的损伤.

基于T梁锚固端裂缝的有限元分析

【目的】针对某特大桥中25 m钢筋混凝土T梁在采用后张法张拉后腹板处出现开裂的现象,对T梁端部进行锚下局部应力分析,并研究锚固区混凝土的应力分布状况。【方法】通过有限元软件对梁端部进行计算模拟,并对比分析腹板厚度对主应力的影响。【结果】试验结果表明,T梁内腹板处的主应力随腹板厚度的增加而逐渐降低,得出该T梁截面设计不合理,等厚腹板T梁设计能有效防止裂缝的产生。【结论】研究成果可为预应力混凝土连续梁桥的相关设计提供参考。

新建南沙港铁路西江特大桥施工控制技术

跨西江主桥采用(2×57.5+172.5+600+4×57.5)m双塔钢箱混合梁斜拉桥结构,斜拉桥主梁由钢箱梁和混凝土箱梁组成,采用非对称混合梁斜拉桥形式。主桥中跨及合龙段钢箱梁采用悬臂拼装施工,其余钢箱梁及现浇梁采用支架现浇施工。采用有限元仿真计算、几何监测、应力监测、斜拉索索力监测调整等关键控制技术,保证桥梁线形状态良好。

30 m预应力UHPC箱梁抗弯性能试验及结构优化研究

为了解大尺寸预应力UHPC箱梁的抗弯性能,以预应力UHPC公路桥——河北石磁跨线桥为背景,设计、制作1片长30 m的足尺预应力UHPC箱梁模型进行四点弯曲试验,结合有限元计算结果,分析试验现象及裂缝分布、跨中荷载~位移曲线、受拉区UHPC及筋材应力~应变曲线。在此基础上分别考虑普通钢筋配筋情况、预应力筋数、腹板厚度和底板厚度等参数对预应力UHPC箱梁进行结构优化设计研究。结果表明:箱梁破坏时受压区UHPC未压溃、受拉区钢纤维被拔出,裂缝贯通底板;根据荷载~位移曲线,箱梁受力可分为弹性阶段、裂缝发展阶段、裂缝快速发展阶段和破坏阶段;根据应力~应变曲线,受拉区UHPC在纵筋屈服时仍能贡献抗拉能力;试验现象及力学指标实测值均说明了预应力UHPC箱梁抗弯能力还有很大富裕空间,可进一步优化。完全不配置普通钢筋的预应力UHPC箱梁仍能满足抗弯承载能力极限状态设计要求;底部预应力筋数增多可有效提高受压区UHPC的抗压强度利用率;腹板厚度过薄会造成腹板主拉应力过大问题,不宜薄于8 cm;采用体外预应力的方法可有效减薄底板所需厚度。