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。

钢-PPUC组合正交异性钢桥面板疲劳性能

为有效解决传统钢桥面病害,提出了钢-聚酯型聚氨酯(钢-PPUC)混凝土组合桥面板结构,开展了正交异性钢桥面板的疲劳性能研究。以马鞍山公铁两用大桥为工程背景,建立局部有限元模型,采用热点应力法获得车轮荷载作用下钢桥面易疲劳开裂部位的应力响应,基于疲劳应力幅进行疲劳强度评估。考虑不同温度、不同铺装层厚度和不同结构形式条件下PPUC铺装层对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响。结果表明:高弹性模量的PPUC铺装层对正交异性钢桥面板典型疲劳细节处的应力具有明显的改善作用;顶板与纵肋连接部位疲劳细节应力幅降幅最大,顶板与纵肋连接处桥面板细节、纵肋与横隔板连接处纵肋细节和纵肋对接焊缝细节均满足抗疲劳开裂要求;不同温度作用下的弹性模量变化对典型疲劳细节等效应力幅的影响是非线性的,铺装层厚度变化对典型疲劳细节等效应力幅的影响是近似线性的;为兼顾正交异性钢桥面板受力性能和行车舒适性两方面要求,提出了单层和双层复合型PPUC结构形式,计算得到2种结构形式对各疲劳细节应力幅最大降幅为21%~56%,最小降幅为8%~36%,为钢-PPUC组合桥面板抗疲劳设计提供理论依据。

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。

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。

浅谈正交异性钢箱梁面板U肋内焊和组焊成套技术

开展正交异性钢箱梁面板U肋内焊和组焊成套技术研究对于确保U肋焊接质量、延长桥梁使用寿命具有重要意义。现对某桥梁开裂状况进行分析,明确了U肋开裂病害情况,提出采用U肋内部智能化焊接技术、U肋组焊技术,将U肋与桥面板之间的连接焊缝由单侧角焊缝改变为双侧角焊缝形式。研究表明,U肋内焊技术及U肋组焊技术能够有效提高梁体的承载能力和抗疲劳性能,解决了正交异性板结构桥梁U肋内部空间狭小不能施焊、内部存在焊接缺陷的问题,为正交异性钢箱梁桥面板U肋焊接提供解决方案。

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。

基于深度学习的正交异性钢桥面板疲劳裂纹智能识别方法研究

为提高正交异性钢桥面板疲劳裂纹的识别效果,基于深度学习方法,进行正交异性钢桥面板疲劳裂纹识别方法研究。制作疲劳裂纹试件,通过室内检测采集检测结果图像建立数据集,结合图像预处理改进数据集中图像;基于单一回归目标检测(You Only Look Once,YOLO)系列中的YOLOv5s图像识别算法,引入轻量级卷积注意力机制(Convolutional Block Attention Module,CBAM),建立疲劳裂纹超声相控阵检测图像的智能识别方法;将该方法应用于超声波相控阵检测结果判读。结果表明:结合限制性对比度直方图均衡(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization,CLAHE)算法与自适应中值滤波的图片预处理方法较为适合超声相控阵检测图像的图片预处理;通过引入CBAM改进图像识别算法,图像识别的精确度相较改进前提升1.28%,达到98.74%;建立的YOLOv5s-CBAM图像识别算法能够准确地框选疲劳裂纹区域,对四类常见疲劳裂纹类型的识别置信度达到0.91,对其它裂纹类型的识别置信度达到0.85,在室内环境下能够满足疲劳裂纹的智能检测需求。

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。

基于正交异性等效的双向加筋板结构变形简化分析方法

[目的]随着船舶不断向大型化、复杂化发展,舱段级以上的船体结构有限元模型的网格数量将急剧增加,导致碰撞、冲击、接触等大型非线性力学问题均难以求解,故提出一种基于正交异性等效的双向加筋板结构变形简化方法。[方法]首先,将现行成熟的单向加筋板平面应力简化方法推广至更复杂的双向加筋板平面弯曲问题,并引入正交方向上加筋板总惯性矩与板的惯性矩之比来反映结构的正交异性;然后,将惯性矩比值代入推广所得的加筋板等效平面弯曲本构方程,以实现材料正交异性的转化,从而在力学层面上兼顾结构的抗变形能力和中性轴移轴产生中面力的影响;最后,利用有限元计算,根据不同的位移分布对四边固支加筋板的变形模式进行分类,并将加筋板实际结果与该方法及传统方法的等效结果进行误差对比分析。[结果]对比结果表明,在船舶双向加筋板结构中,该方法最多可减少84%的网格数量,且3种变形模式下的等效误差均可控制在6%以内,远低于2种传统方法。[结论]该方法的精度较高、适用范围更广、大幅了节省计算资源,可为大型船体结构非线性力学问题的直接建模仿真计算提供解决方案。

考虑正交异性的粒料压实特性及其结构力学行为研究

粒料的正交异性与其压实过程密切相关,对路面的结构力学行为具有显著影响。为研究压实过程对粒料正交异性的影响,采用不同的压实方式及压实功对路用粒料进行击实成型,开展改进的动态回弹力学试验研究,得到典型粒料的正交异性系数α^(2);采用有限元方法,开展考虑粒料正交异性的沥青路面结构力学分析。结果表明:对于旋转压实成型的试件,其干密度略大于冲击压实成型;增大压实功,在增加粒料干密度的同时也会增加其正交异性;在低压实功下,旋转压实成型的粒料正交异性更显著,但在高压实功下,冲击压实成型的正交异性更加显著;粒料的正交异性对沥青路面结构关键响应具有显著影响,忽略粒料的正交异性,存在低估路面结构损坏的风险;考虑粒料的正交异性,能够改善路面结构计算中粒料层的底部受拉,且更符合实际情况。

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。

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。

正交异性钢桥面板横梁切口裂纹的Lamb波监测分析

为探究钢桥面板横梁切口裂纹的Lamb波技术监测效果,设计了2个钢桥面板足尺模型,通过循环加载使其横梁切口处发生疲劳开裂,利用Lamb波监测裂纹扩展情况,进而从波信号中提取标准化特征,用于评估裂纹扩展.建立并验证了钢桥面板有限元模型,进行了裂纹长度、传感器位置等各种参数分析,以确定最佳传感器布置.试验结果表明:当裂纹扩展长度与波传播路径垂直时,标准化特征增大;当两者路径平行时,标准化特征减小.参数化分析结果确定了切口处裂纹监测的最佳传感器位置,建议在选定横梁切口区域,预先布置1个激励器和4个接收器,激励器位于距切口50 mm处,接收器位于距离切口50 mm处或距顶板50~100 mm处.

基于金属磁记忆检测的正交异性钢桥面板疲劳应力检测

钢箱梁作为被广泛应用的桥梁建设结构,正交异性钢桥面板的连接焊缝多,受到车轮载荷的影响,容易产生疲劳应力和疲劳裂纹,进而可能造成严重安全事故,针对此类涉及正交异性钢桥面板疲劳应力检测的问题,提出了一种基于金属磁记忆检测的正交异性钢桥面板疲劳应力检测方法。首先,通过建立一个金属磁记忆检测系统,实现正交异性钢桥面板的金属磁记忆信号的时域、频域和时频域特征的提取;然后,建立各个信号特征与材料疲劳应力的极限学习机模型;最后,通过极限学习机模型对材料的疲劳应力进行相关估算。结果表明:该系统和极限学习机模型对正交异性钢桥面板的疲劳应力检测是有效的,且疲劳应力估算精度较高。研究结果可作为正交异性钢桥面板应力检测的一种重要技术手段。

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。

基于足尺节段模型的正交异性钢桥面疲劳性能

为了研究正交异性钢桥面的疲劳性能,根据新结构细部焊接工艺的研究成果和合理的结构参数,设计了足尺节段疲劳试验模型,通过足尺模型试验确定不同焊接工艺下各疲劳易损细节的实际疲劳抗力。铺装层作为钢桥面板之上的行车功能层,直接承担车辆轮载。分别设计了树脂沥青铺装和浇注式沥青铺装两种铺装结构,进行武汉市江汉七桥铺装层与正交异性钢桥面板协同受力体系的模型试验,并考虑温度的影响。研究结果表明:有铺装层的钢桥面板U肋与顶板构造细节,由于铺装层与钢桥面板的协同作用,其应力幅值相较于无铺装层时显著降低;该应力幅值随着铺装层温度的升高而增大。

正交异性钢桥面板横隔板疲劳损伤处治研究

钢箱梁上翼缘的正交异性钢桥面板,在车辆轮载的反复作用下,极易发生损伤和裂纹,且90%以上为疲劳损伤,而横隔板是正交异性钢桥面板主要损伤构件,占比28.8%.为研究钢箱梁正交异性钢桥面板横隔板病害的处治方法,通过病害统计、病害形成过程跟踪、病害成因分析、病害实桥处治,详述钢箱梁正交异性钢桥面板横隔板弧形切口处母材裂纹、横隔板上过焊孔处母材裂纹、横隔板与U肋焊缝裂纹、横隔板与面板焊缝裂纹四大类横隔板病害的处治方法.通过对例桥1维修三年后病害再生情况统计,所修480处横隔板相关病害中发生再生病害30处,再生病害发生率6.25%;通过对例桥2横隔板CFRP板补强完工三年后的检测,例桥3横隔板与U肋焊缝加强角钢补强完工后的检测,未发现补强部位再生病害.结果表明:所述各类病害维修方法可靠,对同类型病害维修具有参考价值.

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%。

开口肋正交异性钢桥面系多尺度力学模拟分析研究

正交异性钢桥面构造复杂,局部疲劳应力与纵肋的构造形式、铺装层结构密切关联。为深入研究开口肋正交异性钢桥面板与铺装结构体系力学性能特征,采用有限元软件ABAQUS建立桥梁节段模型,模拟不同构造、荷位、铺装厚度以及材料模量等参数,分析L肋+小横肋钢桥面系应力分布的影响。结果表明:1)L肋+小横肋相较闭口肋,其铺装拉应变降低10%,钢板应力和竖向变形降低了约50%,开口肋最不利纵向位置为跨中小横肋处,横向位置为钢板焊缝处;2)铺装厚度增加4 cm,铺装横向拉应变和横向剪应力均减小;3)将铺装模量提高至40 GPa,铺装表面的最大横向拉应变显著降低,肋间挠度减小1倍。