大跨度桥梁钢桥面板跨尺度疲劳损伤评估方法

大跨度斜拉桥正交异性钢桥面板的顶板与纵肋焊接构造细节在车辆荷载作用下易产生疲劳损伤进而导致服役性能降低、影响行车安全。为评估大跨度桥梁钢桥面板的疲劳性能,提出基于细观损伤力学的大跨度钢桥疲劳损伤跨尺度评估方法;推导了基于细观损伤力学的钢桥面板疲劳损伤演化模型,在此基础上,结合实测交通数据,实现了基于Monte-Carlo法的随机车流模拟;最后,将提出的方法应用于一座大跨度三塔斜拉桥。研究结果表明,大跨度斜拉桥钢桥面板体系焊缝周围区域的累积疲劳损伤程度明显高于桥面板体系的其他部位;顶板与纵肋焊接构造细节的疲劳损伤累积呈现明显的非线性,预测的疲劳寿命远小于Miner线性疲劳损伤累积准则的结果。

城市轨道交通正交异性钢桥面板疲劳损伤系数研究

基于城市轨道交通正交异性钢桥面板疲劳性能的重要性,对国内多个城市的轨道交通的交通荷载进行了调研,发现各线路各时段的客流量差异较大,各线路的载客平均轴重与空车平均轴重的比值不同,比值为1.02~1.51。轨道交通因乘客流量带来的轴重比例变化相对较小,因此每一列车都对钢桥结构的疲劳有一定影响。研究了疲劳损伤系数的组成,基于不同的应力循环次数,提出了基于列车荷载作用频次的城市轨道交通桥梁的3个疲劳损伤系数。研究结果可为城市轨道交通钢桥的疲劳设计提供参考,并为规范的修订提供技术依据,对完善城市轨道交通钢桥疲劳设计具有理论意义。

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。

Q550E高强钢及焊接接头的疲劳裂纹扩展研究

焊接构造是钢桥的薄弱部位,在反复车辆荷载作用下,疲劳损伤正逐步成为影响桥梁服役安全的关键问题之一。以Q550E高强钢为研究对象,开展母材和对接焊缝接头的静力拉伸和疲劳裂纹扩展试验,建立母材及焊接连接件的疲劳裂纹增长模型,揭示了应力比对高强钢焊接节点疲劳裂纹扩展速率的影响规律;开展基于FRANC3D和ABAQUS的联合仿真模拟分析,通过敏感性分析明确关键影响参数。结果表明:随着应力比的增大,疲劳裂纹扩展速率参数m增大、lg C减小,应力强度因子门槛值减小;对接焊缝m值约为母材的2倍,对接焊缝裂纹门槛值大于母材,且对应力比更敏感;联合仿真方法可准确预测高强钢焊接接头疲劳寿命,高应力比下试件厚度和初始裂纹深度对疲劳扩展影响显著。

波形钢腹板-钢底板组合箱梁耐火性能及影响因素

为研究波形钢腹板-钢底板组合箱梁在火灾作用下的挠变规律及耐火极限,本研究以一试验梁为研究背景,采用有限元软件ANSYS建立波形钢腹板-钢底板组合箱梁数值模型开展热-力耦合分析,研究不同升温曲线、受火区域、荷载比及高跨比等因数对其耐火性能的影响。结果表明:组合箱梁钢腹板和混凝土顶板沿梁高方向存在明显的温度梯度且受火时间越长温度梯度越明显;波形钢腹板-钢底板组合箱梁跨中挠度时程曲线主要分为两个阶段,前期为缓慢增长阶段,平均增长速率1.5 mm/min,后期为快速增长阶段,平均增长速率5 mm/min;组合箱梁在HC火灾作用下的耐火极限最短,在相同荷载比作用下较ISO834标准升温曲线作用下的耐火极限下降了71.8%;组合箱梁受火区域越大,耐火极限越小,且受火区域越靠近跨中截面,耐火极限越小;荷载比对组合箱梁的抗火性能有较大影响,荷载比由0.2增长到0.4时,组合箱梁的耐火极限降低了40.4%;高跨比越大的组合箱梁,虽然受火前期的耐火性能有明显的提高,但是后期随着温度的不断升高其耐火极限反而小于高跨比小的组合箱梁,且随着组合箱梁的高跨比从0.088增长到0.147,其耐火极限降低了23.1%。研究成果可为波形钢腹板-钢底板组合箱梁的防火设计提供一定的参考。

车辆荷载作用下钢-混凝土组合梁疲劳应力分析

【目的】随着桥梁服役期延长和车辆荷载增加等多种因素的影响,结构承载力会变得越来越弱,疲劳寿命不断降低,最终可能导致低应力疲劳破坏。因此有必要对车辆荷载下拱桥钢混组合梁的疲劳细节应力进行研究。【方法】采用数值模拟的方法,利用Midas FEA NX软件建立3个标准长度的三维实体精细有限元模型,分析钢混组合梁易损疲劳关键点的位置,并研究车辆荷载横向最不利加载位置和纵向加载下的疲劳细节应力变化规律。【结果】结果表明,组合梁次横梁与中纵梁交点处有三处疲劳关键点;靠近桥梁中线位置是车辆荷载下钢梁疲劳最不利的横向加载位置;四种不同标准的纵向车辆加载时,三个疲劳关键点均出现两次应力峰值,且最大应力幅值均低于常幅疲劳强度的极限值。【结论】研究成果可为钢-混凝土组合梁试验和相关研究提供参考。

高强度钢-混凝土组合梁静力性能分析

为研究高强度钢-混凝土组合梁在跨中荷载作用下的静力性能,设计并制作了组合梁足尺试件。根据静力加载和测点布置方案进行加载试验并获取试验数据,并绘制组合梁整体荷载-挠度曲线和混凝土结构的荷载-应变曲线。分析结果表明:最大挠度出现在荷载为150kN时,试验加卸载过程中,荷载与挠度基本成正比关系;混凝土梁顶部全部受压,底部C1-1处基本受压,C2-1处受拉。利用有限元软件建立三维实体模型进行数值模拟,有限元结果与试验结果吻合较好,表明了有限元模型的合理性和准确性。

钢桥焊接接头强韧匹配现状分析

综述了国内钢桥焊接接头强韧性匹配情况。钢板及焊接材料试验数据表明:原材料的强度波动范围较大,给强度匹配带来较大的难度,需要在原材料标准中对其强度范围进行限制;某些项目规定的焊缝强度限制指标缺乏理论依据,需要进行专题研究制定合理的波动范围。

高速铁路大跨度钢桁架桥接触网腕臂安装技术研究

高速铁路大跨度钢桁架桥纵向伸缩量大且变位复杂,是影响接触网腕臂偏移等系统能否正常、安全运行的重要因素,如何解决接触网腕臂安装、偏移调整与钢梁伸缩之间的协同配合,目前国内在此方面鲜有研究。通过阐述受导线伸缩影响的腕臂偏移机理和大跨度钢桁架桥梁体纵向伸缩机理,分析在不同接触网锚段布置方式下大跨度钢桁架桥梁体伸缩对腕臂偏移的影响,并采用逐工点分析法总结不同工况下钢梁伸缩与导线伸缩对腕臂偏移影响的相互关系,揭示了接触网腕臂安装曲线在导线伸缩及钢梁伸缩共同作用下的计算方法。结合典型案例计算分析,建议采用不同钢梁跨度下的推荐锚段布置方式能有效降低腕臂偏移量,并提出应重点关注伸缩缝两侧锚段腕臂偏移问题、腕臂偏移为叠加关系时缩小半锚长度、钢梁跨度大于720 m时应重点计算伸缩缝两侧双腕臂间距等优化事项。研究内容及计算公式可为系统性解决高速铁路大跨度钢桁架桥接触网腕臂偏移设计、施工及运营维护等技术难题提供理论支持。

钢桥面板顶板-U肋焊缝裂纹萌生特征及扩展规律

【目的】研究轮载作用下钢桥面板顶板-U肋焊缝裂纹的萌生特征及扩展规律。【方法】通过有限元方法建立钢桥面板节段模型,分析了不同轮载位置下构造的变形特征,明确了轮载位置与典型变形特征的对应关系,相应建立了3种局部简化模型。在局部模型的基础上根据应力分布确定了裂纹萌生特征,并基于断裂力学进行裂纹扩展三维数值模拟。【结果】模拟结果表明,在以顶板为主的变形条件下,顶板焊趾和顶板焊根的最大主应力明显大于U肋焊趾处,裂纹产生后Ⅰ型应力强度因子远高于Ⅱ型和Ⅲ型;在以U肋为主的变形条件下,顶板焊根和U肋焊趾处的最大主应力垂直于U肋厚度方向,裂纹产生后Ⅱ型和Ⅲ型应力强度因子占Ⅰ型应力强度因子K的20%~30%。【结论】实桥中轮载偏离焊缝正上方时,疲劳裂纹易从顶板焊根和顶板焊趾处萌生且沿顶板厚度方向扩展,以Ⅰ型裂纹为主;当轮载位于焊缝正上方时,疲劳裂纹易从顶板焊根和U裂焊趾处萌生并大致垂直U肋腹板扩展,属于Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹,且扩展速率较快。

基于融合编码器与双解码器的半监督疲劳裂纹分割

针对现有基于深度学习的疲劳裂纹分割算法依赖于大量像素级标记的问题,提出了一种半监督疲劳裂纹分割网络SFD-Net.SFD-Net利用对比学习方法进行半监督训练,以减少对大量像素级标记的依赖.同时,它采用融合编码器和双解码器的设计,旨在更好地捕捉裂纹区域的特征并提高分割准确性.通过引入改进注意力模块和边界优化模块,增强了对裂纹特征的表示,提高了裂纹边界的分割质量.在公开的疲劳裂纹数据集上对SFD-Net进行性能验证.结果表明:相较于使用相同标记比例的全监督算法,SFD-Net的分割性能有明显提升;仅使用25%的标记数据时,SFD-Net的交并比(IoU)达到70.6%,超过了使用100%标记数据的其他全监督算法的平均IoU(69.1%);同时,与其他先进的半监督方法相比,SFD-Net在所有标记数据比例下均取得了最高的预测精度.

考虑局部屈曲加劲钢箱形构件极限承载力的纤维梁柱模型

大型桥梁加劲钢箱形构件的极限承载力会受到板件局部稳定性能的影响,而目前尚缺乏成熟的可直接计入局部屈曲的高效计算模型。归纳总结国内外钢构件计算方法对局部屈曲的处理方式,明确以有效应力法即采用板件(或加劲板)平均受压应力-应变曲线简化局部屈曲效应的研究思路。通过有限元程序ANSYS二次开发钢板拉压非对称本构模型,提出一种可直接计入局部屈曲的纤维梁柱模型。材料本构模型中受压应力-应变曲线通过小型的加劲板板壳模型得到,且全面考虑了焊接残余应力与几何缺陷。搜集已开展的钢箱梁、钢桥塔及钢拱肋的稳定性试验,采用提出的纤维梁柱模型、板壳模型与传统弹塑性梁柱模型进行分析,展示截面纤维划分策略,验证文中纤维梁柱模型的可靠性与高效性;通过设置不同的缺陷参数,探讨缺陷水平与局部屈曲对各个构件极限承载力的影响。研究表明,随着缺陷水平的严重,局部屈曲会显著降低极限承载力,提出的纤维梁柱单元模型能够有效地预测加劲钢箱形构件的极限承载力,具有较广泛的应用前景。

重载和腐蚀共同作用下钢桥的时变疲劳可靠性分析

提出了一种能考虑重载和腐蚀耦合作用的钢桥时变疲劳可靠性分析方法。以某钢混组合简支梁桥为例,研究了日均卡车交通量、等效荷载总重、腐蚀性等级等因素对其疲劳失效概率的影响规律,计算了其疲劳细节在多种工况下的疲劳失效概率,比较了多种腐蚀环境下基于确定性分析方法和可靠性分析方法计算的疲劳寿命结果。结果表明:该文提出的基于支持向量回归和蒙特卡洛模拟的框架可快速准确地计算腐蚀环境下钢桥的疲劳失效概率;日均卡车交通量、等效荷载总重和环境腐蚀性等级的增加会造成钢桥疲劳寿命显著缩短;当环境腐蚀性等级在C5及以下时,基于确定性分析估算的疲劳寿命趋于保守。然而,当环境腐蚀性等级到达CX时,基于确定性分析得到结果可能偏不保守,应充分考虑环境腐蚀的影响。

大温差地区未铺装钢箱梁温度梯度预测和温度效应

针对乌鲁木齐地区运营8~10年的钢箱梁桥已经出现裂缝的问题,对作为中国大温差地区的新疆乌鲁木齐地区未铺装钢箱梁桥进行温度监测。基于温度监测数据,用函数拟合的方式描述的钢箱梁太阳辐射下顶底板温差最大时的温度梯度分布模式。选用统计学的方法分析计算100年重现期的钢箱梁日照最不利温差标准值并得到最不利温度梯度模式。基于最不利温度梯度模式,利用Midas Fea NX有限元仿真软件进行最不利温度效应的仿真。研究结果表明:钢箱梁在日照作用下同时存在横向和纵向温度梯度。采用统计分析方法得到100重现期的竖向正温差标准值为29.8℃,高于中国相关现行规范线性插值得到未铺装钢箱梁竖向正温差值26℃。按此温度梯度模式作为温度荷载的有限元结果表明,温度作用下钢箱梁的温度应力达到甚至超过正常设计车辆荷载的应力水平。

钢桥面板对接焊缝表面多缺陷疲劳效应研究

为探明钢桥面板对接焊缝焊趾区域共面及异面表面多缺陷在裂纹扩展过程中的形态变化及相互作用机制,以钢桥面板U肋下翼缘对接焊缝简化后的基本焊接构造为研究对象,探明对接焊缝焊接区域的应力强度因子KI分布,并在验证ABAQUS与FRANC3D数值模拟方法可靠性的基础上,对焊趾区域植入的共面或异面多裂纹进行多裂纹扩展分析。研究结果表明:含余高对接焊缝在轴拉荷载作用下,焊趾线附近存在应力强度因子KI的峰值点;相邻共面裂纹在扩展至临界深度的过程中存在裂纹融合前、裂纹融合时及裂纹融合后3个典型的扩展阶段,不同阶段裂纹前沿形态及扩展速率da/dN变化可通过等效应力强度因子幅值ΔK_(eff)的分布来体现;共面裂纹融合前,单裂纹靠近另一裂纹长轴端点的裂纹相互作用比例因子随净间距s1与裂纹深度a比值呈幂次负相关性;对接焊缝异面裂纹中焊趾处裂纹对热影响区裂纹存在抑制作用,并随着裂纹尺寸差异的累计增加,焊趾处裂纹对热影响区的抑制作用呈线性扩大,最终使得热影响区裂纹ΔK_(eff)低于门槛值ΔKth而失去活性停止扩展,上述抑制作用随异面净间距s2的增加而减弱。

基于响应面法和ARO算法的桥梁有限元模型修正

针对桥梁结构模型修正过程中计算量大、全局寻优难等问题,提出一种基于响应面法和人工兔优化算法(artificial rabbits optimization, ARO)的桥梁有限元模型修正方法。该方法通过F检验法明确对结构响应影响显著的参数并建立响应面模型作为桥梁有限元模型的代理模型进行迭代计算,然后通过静动力联合修正法基于特征响应的响应面模型计算值和试验值构建目标函数,并通过人工兔优化算法对目标函数进行迭代计算进而获得精确的有限元模型参数。采用该方法对变截面连续刚构黄河特大桥有限元模型进行修正,结果显示:基于显著性分析结果建立的桥梁响应面模型相关系数大于0.98,且平均绝对误差低于0.05;模型修正后主梁关键截面竖向位移最大相对误差由32.97%降至5.72%,平均相对误差由20.67%降至3.61%,桥梁前3阶竖向自振频率平均相对误差仅为0.18%。可见,采用所提方法修正的模型能用于评价桥梁结构实际受力性能。

钢桥表面相对湿度的边界条件计算方法

表面相对湿度是决定钢桥腐蚀速度的重要因素,精确计算表面相对湿度的关键在于选取合适的温度场边界条件,因此进行了拱肋模型相对湿度测试试验,利用有限元分析软件ABAQUS的DFLUX与UVARM子程序实现了钢桥表面相对湿度计算,并对比分析了不同太阳辐射、辐射换热及对流换热的计算方法对钢桥表面相对湿度模拟结果的影响。结果表明:太阳辐射强度对表面相对湿度的影响主要集中在日出、日落时段,采用Hottle模型计算的日总太阳辐射偏大,导致表面相对湿度偏低,建议使用实测太阳辐射数据计算太阳辐射热流密度;天空及地面的辐射换热对表面相对湿度的影响不容忽视,利用简单的大气辐射换热替代天空、地面辐射换热,会导致结构吸收热量增加,表面相对湿度显著减小,建议在计算辐射换热热流密度时考虑天空温度、地面温度的影响;白天对流换热对结构有降温作用,促使表面相对湿度升高,夜晚对流换热作用对结构有升温作用,促使表面相对湿度降低,目前对流换热系数计算方法多基于混凝土结构开展,后续可进行适用于计算钢桥表面相对湿度的对流换热系数研究。

摩擦型高强螺栓连接抗剪滑移行为研究

为研究摩擦型高强螺栓抗剪连接的滑移行为,分析了钢结构全过程的受力和变形性能。采用简化的螺栓滑移数值计算方法,使用COMBIN39弹簧单元模拟了螺栓与盖板、芯板之间的摩擦行为以及螺杆与螺栓孔壁之间的接触挤压行为。通过ANSYS有限元软件模拟了单行四列螺栓连接抗剪滑移过程并采用试验加以验证。建模分析了三行六列螺栓群在摩擦阶段、滑移阶段和弹塑性变形阶段的连接抗剪滑移过程,总结出各行螺栓在各个阶段的传力比和芯板、盖板的应力分布规律。根据三阶段滑移过程,提出了螺栓群总滑移量的计算公式。以孔壁变形特点为依据,采用分段函数拟合出孔壁的变形-荷载曲线,并将拟合的曲线与芯板和盖板各螺栓孔壁变形平均值有限元结果进行了比对。结果表明:有限元计算的荷载-位移曲线与实测的荷载-位移曲线吻合良好,验证了有限元模型的正确性;拟合的变形-荷载曲线与有限元模拟值吻合良好;当外荷载为375 kN时,传力比最大的第1列螺栓首先开始松动,之后便出现微小滑移;当外荷载增加至905 kN时,第1列螺栓芯板位置处出现大面积塑性变形区并发生孔壁挤压破坏,可以认为芯板已经达到极限承载能力状态,但此时盖板的Von Mises应力仅为231.1 MPa,说明盖板没有进入屈服状态。研究结果可为摩擦型高强螺栓群的研究和设计提供参考。

低温环境下Q690qE桥梁钢断裂韧性试验研究

针对中国新研发的Q690qE高强度桥梁钢,选取32、50 mm两种典型厚度,开展了在0、-40℃条件下的拉伸试验和裂纹尖端张开位移(Crack Tip Opening Displacement,CTOD)试验,采用BS 7910—2019 Guide to Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Structures中失效评定图(Failure Assessment Diagram,FAD)对钢材断裂韧性进行评估。结果表明:Q690qE钢的屈服强度和抗拉强度0℃条件下分别为710、910 MPa,-40℃条件下分别为601、825 MPa,-40℃条件下相比0℃时有所降低;32 mm厚钢板在0、-40℃条件下CTOD最小值分别为0.500、0.685 mm,50 mm厚钢板在0、-40℃条件下CTOD最小值分别为0.318、0.186 mm,50 mm厚钢板的断裂韧性相比32 mm的有所降低;在0、-40℃条件下,32、50 mm厚钢板评估点均位于FAD图可接受区域,说明Q690qE钢具有良好的断裂韧性,能满足桥梁防断设计要求。

基于固有应变的旧钢桥加固焊接应力和变形分析

文章针对某大型桥梁实际加固修复焊接,利用独自开发的焊接变形分析系统软件,预测不同工艺和工况条件下大桥的应力和变形,获得不同条件下桥梁变形和应力的分布规律,确认该大型桥梁加固焊接施工方案的安全性。同时,该文为实际焊接工艺的优化提供了技术解决方案。