基于机器视觉的钢结构焊缝疲劳开裂检测系统开发研究

在钢节点疲劳试验过程中,人工检测必须中止加载,才能对裂缝进行测量,且不易及时准确预知疲劳裂缝。因此,研究开发一种基于机器视觉的钢节点疲劳裂缝检测系统,包括硬件系统、图像采集软件系统和数据处理软件系统三部分。在图像采集过程中,采用自主研发的FJIMS-FV6M20裂缝监测仪进行裂缝检测,并利用裂缝角度修正和图像标定提高裂缝几何尺寸的检测精度。在数据处理过程中,基于LabVIEW程序开发开台,通过引入灰度处理、非线性滤波和阈值划分等措施,利用形状侦测获取裂缝的几何尺寸。基于某钢管混凝土K型节点疲劳性能足尺模型试验,通过与人工测量结果进行对比,验证所开发裂缝检测系统的有效性。测试结果表明,圆形钢管的焊缝开裂测量,必须考虑焊缝形状的影响。

基于3D打印的连续梁桥V形结构光弹性模型试验研究

针对传统光弹性试验模型制作方法存在的制作周期较长、精确度低以及人工成本较高等问题,提出了一种基于3D打印技术制作精确光弹性试验模型的新方法。通过光弹性模型试验加载及应力冻结法得到了清晰的等差条纹图像,运用光弹性原理测定了模型应力,并与实体有限元计算结果进行了对比分析,得到了V形结构各主要构件的应力分布特点。结果表明通过3D打印技术制作模型取代原有机械加工制作的木制模型,能够有效改善传统光弹性模型制作技术的缺点,在够提高光弹性模型质量的同时能使模型制作成本降低1/2,制作周期缩短2/3;光弹性试验和有限元分析结果较吻合,相互验证了二者的正确性与合理性;V形结构总体受力性能合理,安全储备较大,上下弦杆交汇处由于刚度变化较大,应力集中较明显,建议加强该处配筋。

预应力CFRP平板式锚具优化设计与应用

针对平板式锚具存在需在混凝土表面开槽、有效行程短、不可重复利用等问题,开展了平板式锚具优化设计与应用研究,提出了一种无须在结构基面设置扣槽,占用空间小、碳纤维增强材料(CFRP)板有效利用长度更长,轻质高强、可重复利用的预应力CFRP平板式锚具。有限元分析表明:在计算荷载作用下,锚具性能满足预应力CFRP加固需要,锚固支座、锚板和锚栓最大应力值分别为133、76、94 MPa,总体应力分布均匀,均小于其屈服强度,最大变形值为0.056、0.024、0.028 mm,保证锚具不先于结构破坏。随着锚栓直径与锚板厚度增大,锚具内部应力与变形均有所改善,其中锚栓直径变化对锚栓与锚板接触部分受力影响较大;锚板厚度对混凝土表面与锚栓接触部分受力影响较大,故建议锚栓直径为18 mm,锚板厚度为20 mm。实际工程应用表明该锚具使用效果良好。

钢筋混凝土薄壁空心高墩塑性铰长度计算方法

针对我国现行抗震设计规范尚未明确给出钢筋混凝土(RC)薄壁空心高墩塑性铰长度计算方法的问题,首先收集整理了既有RC桥墩塑性铰长度计算方法以及试验数据,分析影响塑性铰计算长度的主要因素;同时对实际桥梁工程采用的RC薄壁空心墩构造参数进行统计归纳.在验证有限元建模方法准确性后,采用ABAQUS软件建立了高度为40~120 m的8种典型RC薄壁空心高墩的精细化有限元模型,并开展非线性推覆分析,得到不同高度桥墩的等效塑性铰长度.最后讨论不同塑性铰长度计算方法的适用性,发现Eurocode 8规范的计算公式精度最高,可用于计算RC薄壁空心高墩的塑性铰长度.

界面焊接环向钢筋的钢管混凝土叠合柱抗剪性能研究

为研究界面焊接环向钢筋的钢管混凝土叠合柱的抗剪性能,以环向钢筋的布置间距和直径为研究参数,对6根叠合柱试件进行了横向剪切静力试验和数值模拟,分析了各参数对试件的破坏过程、破坏形态、荷载-跨中挠度曲线以及抗剪承载力的影响规律。研究结果表明:界面环向钢筋布置方案不同的叠合柱试件破坏形态基本相同,均发生斜压破坏;试件的受力过程可划分为弹性阶段、弹塑性阶段、强化阶段和破坏阶段四个阶段;随着界面环向钢筋布置间距的减小,试件的抗剪承载力提高显著,最大增幅达22%;增大界面环向钢筋的直径可提高试件的抗剪承载力,但作用效果有限,最大增幅仅为6.1%。通过试验数据对有限元模型的有效性进行验证,并进一步分析了不同阶段有限元模型的应力状态,明确了此类叠合柱的受剪机理。

平缀管式钢管混凝土格构柱拟动力试验研究

在平缀管式钢管混凝土格构柱拟静力试验研究的基础上,进行了2个1∶8缩尺模型的拟动力试验,分别采用2008年汶川大地震和1995年日本阪神大地震的地震动时程记录作为输入地震波,研究在不同强度地震和主余震作用下此类结构的变形、强度、刚度、耗能等抗震性能。研究结果表明:平缀管式钢管混凝土格构柱具有良好的抗震性能,在8度多遇、基本、罕遇、极罕遇地震作用下,结构处于弹性工作状态;在9度罕遇地震作用下,钢管混凝土柱肢发生屈服,结构进入弹塑性工作状态;随着地震动峰值加速度的增加,柱底钢管应变急剧增加,柱顶最大响应位移非线性增长;直至试验加载结束,柱肢底部塑性铰区域未形成屈服环,结构无明显破坏。主余震作用加剧了结构的累积损伤,结构的刚度退化现象比较明显,在经历1次9度罕遇主震和2次同等强度的余震作用后,结构弹性阶段刚度相比初始弹性刚度减小约50.0%,最大位移增大约41%。通过钢管混凝土格构柱在各地震工况下的强度与变形的验算,进一步表明此类结构具有足够的强度储备和良好的变形能力,在经历多次强震后仍能保持一定的承载能力,在我国高烈度地区的桥梁工程中具有极大的应用前景。

预应力碳纤维板加固空心板桥试验研究

以装配式简支空心板桥为研究对象,设计并制作了1跨8m足尺模型,开展车辆荷载作用下预应力碳纤维板加固空心板桥受力特点和破坏模式试验研究,验证预应力碳纤维板加固方法的合理性和有效性。试验结果表明:预应力碳纤维板加固空心板桥的破坏可分为4个主要阶段,包括弹性工作阶段、裂缝开展阶段、结构胶失效阶段和空心板塑性阶段;由于空心板跨径小、抗弯刚度大,预应力碳纤维板加固空心板的破坏形式为强度破坏,达到破坏荷载时,碳纤维板与混凝土之间的结构胶失效;与未加固的空心板相比,空心板开裂荷载提高167%、挠度减小32%,加固后空心板原有的裂缝宽度减小了31%。预应力碳纤维板加固空心板的抗弯承载力和抗弯刚度均得到提高,且预应力碳纤维板加固可闭合空心板底部已产生的裂缝。因此,预应力碳纤维板加固空心板桥是有效合理的。

钢管混凝土箱形叠合超高墩设计与静力性能分析

为了解钢管混凝土箱形叠合超高墩的设计理念和结构静力性能,以金阳河特大桥为背景,分析该类桥墩各部分作用和受力特性,并开展静力性能研究。该类桥墩内部的钢管混凝土格构柱为主要受力结构,并作为外包钢筋混凝土施工的劲性骨架;各柱肢钢管外包薄层钢筋混凝土以提高桥墩承载力;连接各柱肢的钢筋混凝土腹板参与抗剪。采用MIDAS Civil软件分析对比钢管混凝土箱形叠合超高墩和钢筋混凝土薄壁空心超高墩的静力性能。结果表明:最大悬臂施工阶段和成桥阶段,钢管混凝土箱形叠合超高墩的一阶弹性稳定系数大于钢筋混凝土薄壁空心超高墩;从墩顶向墩底分段增大钢管管径和壁厚,可使钢管和外包混凝土应力沿墩高方向不变;外包混凝土应力远小于钢筋混凝土薄壁空心超高墩,可采用较薄的低强度混凝土。

考虑减振阻尼器的斜拉索索力测定方法

为了准确地计算斜拉索索力值,利用数值法对考虑垂度和弯曲刚度影响的斜拉索运动方程式进行求解,同时还考虑了斜拉索上安装减振阻尼器对斜拉索基频的影响。本文基于整体割线坐标系下同时考虑垂度和弯曲刚度影响的斜拉索面内运动方程式,将斜拉索装设的减振阻尼器简化为弹性支撑,并在运动方程式的荷载项中考虑该弹性支撑作用,采用数值法进行离散化处理和求解,确定斜拉索索力。通过对泉州晋江大桥进行索力测量,利用数值法计算得到的索力值与公式法计算得到的结果进行比较。结果表明:两种方法计算得到的等效计算索长的差别不超过2%,索力值的偏差不超过5%,验证了提出的考虑减振阻尼器影响的斜拉索索力测定方法的正确性和开发的测试系统的可靠性。

钢管混凝土箱形叠合墩振动台试验研究

以腊八斤特大桥11号主墩为原型,进行几何缩尺比例为1∶9.43的钢管混凝土(CFST)箱形叠合墩模型振动台试验,并结合空间杆系非线性有限元分析,开展强震作用下CFST箱形叠合墩的地震响应特性和地震破坏机理研究。结果表明:E2设计地震动作用下,缩尺模型和原型桥墩墩底塑性铰截面大部分处于受压状态,墩身表面未发现裂缝,结构处于弹性工作状态;地震动特性对CFST箱形叠合墩的地震响应有显著影响,9条经典地震波(PGA=0.05 g)中,Wenchuan-NS地震波作用下墩顶加速度响应和位移响应均达到最大,分别为最小地震响应工况的1.8倍和5.4倍;随着Wenchuan-NS地震波强度按照0.05 g的增量逐级增大,墩顶加速度响应和墩顶位移响应基本呈线性增加,且加速度动力放大系数基本保持在6左右;采用基于纤维梁柱单元的有限元模型计算结果与试验结果吻合较好,进一步开展的非线性时程分析可知,PGA=0.30 g时墩底潜在塑性铰区域外包混凝土受拉侧发生开裂,在PGA=0.75 g时受拉侧钢管开始屈服;与单向地震作用相比,双向地震作用下墩顶位移响应峰值增大约6%,墩底截面最大内力响应增大约4%,说明双向地震同时作用对CFST箱形叠合墩地震响应的影响较小,在进行CFST箱形叠合墩的地震反应分析时,可沿顺桥向和横桥向分别输入水平地震动。

大跨径独塔斜拉桥成桥5年实桥试验对比分析

为了对某大跨径独塔混凝土斜拉桥的实际承载能力和健康状况进行分析与评价,在2008年和2013年进行了外观检查和荷载试验。通过有限元模型分析、外观检查、斜拉索索力测试和荷载试验,对测试结果和试验数据进行对比,对桥梁的实际承载能力进行分析,并对桥梁健康状况的变化进行总结。结果表明:海洋气候会造成钢结构腐蚀,海水的潮汐作用会对桥梁下部结构特别是基础和墩台造成明显影响。全桥斜拉索索力值没有出现太大的变化。荷载作用下主梁的挠度规律与理论计算基本一致;实测主梁的挠度小于规范规定的限值;应变、挠度和主塔偏位校验系数均满足规范的限值要求。与2008年实测频率相比,2013年大桥的实测频率未发生明显改变;与理论结果相比,实测振型与理论计算结果一致,实测频率略大于理论计算结果,说明荷载试验的理论计算准确,桥梁整体动力性能良好。

斜拉索动位移实时测定方法研究和系统开发

基于单相机多测点动位移测定技术,建立斜拉索动位移实时测定方法.基于Lab VIEW程序开发平台,编制单相机测定多测点动位移的程序,开发斜拉索动位移实时测定系统.通过与激光位移计进行室内试验比较,验证该测定方法的有效性、多目标测定的实用性和测定结果的准确性,并讨论相机拍摄角度对于测量精度的影响.利用单相机多测点动位移测定系统对泉州晋江大桥的拉索动位移进行实桥测量,验证了该测定方法应用于实桥测试的可行性和有效性.

混合梁斜拉桥主梁钢-混凝土结合段受力性能研究

以某混合梁斜拉桥为工程背景,分别采用Midas Civil和ANSYS建立全桥空间杆系有限元模型和钢混凝土结合段的精细实体有限元模型,进行最不利荷载组合作用下结构受力性能分析。研究表明:钢-混凝土结合段在最不利荷载组合工况下各组成部分受力均衡、变形连续协调;钢-混凝土结合段的钢箱梁应力满足要求,各钢板无屈曲现象发生;钢-混凝土结合段中混凝土箱梁节段在混凝土顶板与隔板结合部及翼缘倒角位置会出现较大的主拉应力,最大可达到4.84 MPa,超过C50混凝土抗拉强度,建议必要时应增加钢筋用量,进一步优化局部受力。

可模数化安装的节点疲劳性能试验加载装置研究

以T型、 Y型和K型节点为研究对象,统计和对比分析节点疲劳性能试验加载装置的优缺点.结果发现,现有装置难以用一台装置适配不同型式及几何参数节点,且缺少保证节点不受面外弯矩影响的相关装置.为此提出一种可模数化安装的节点疲劳性能试验加载装置.通过与实桥同尺寸的钢管K型节点疲劳性能试验,验证该加载装置能够减小面外弯矩和设备振动对试验结果的影响,且边界条件和施加荷载符合实桥中以轴力为主、弯矩小的受力模式,能真实反映节点疲劳破坏状态.

阵列式布设内栓钉的钢管混凝土K型节点足尺模型疲劳性能研究

为研究阵列式布设内栓钉的钢管混凝土K型(CFST KS)节点疲劳性能,进行CFST KS节点和不布设内栓钉的钢管混凝土K型节点(CFST K)足尺模型的疲劳试验和有限元研究,对比分析了2种节点的热点应力分布、疲劳裂纹扩展过程和疲劳破坏模式,研究了内栓钉布设区域与排布方式对热点应力的影响,采用基于热点应力的S-N曲线探讨疲劳寿命的判定标准与疲劳寿命评价方法。结果表明:CFST KS节点的热点应力宜采用3点外插法计算,最大热点应力位于冠点处;CFST KS节点的疲劳性能演化过程可以分为疲劳裂纹的萌生、扩展和破坏三个阶段,CFST KS节点较CFST K节点在裂纹扩展阶段荷载反复次数更高,在裂纹破坏阶段疲劳裂纹的扩展速率更低,由于布设了内栓钉,疲劳裂纹扩展至鞍点附近后不再继续沿着相贯线方向扩展,而往主管环向且与主管轴线呈一定角度发展;建议采用CFST K节点冠点应变峰值变化15%对应的荷载反复次数作为疲劳破坏的判定基准;提出了基于热点应力的CFST K节点疲劳设计S-N曲线,并依据S-N曲线预测在同等热点应力幅下,布设内栓钉可以使CFST K节点的疲劳寿命提高45%;减少支管侧内栓钉的轴向间距和径向间距可以提高节点的疲劳性能,非支管侧的栓钉布置、栓钉的尺寸以及栓钉的轴向布置范围对疲劳性能的影响较小,栓钉的轴向布置范围对栓钉自身的受力状态有所影响;基于CFST KS节点静力与疲劳性能提出了内栓钉的合理布置形式。

钢管混凝土K形节点应力集中系数计算方法

以钢管混凝土K形(CFST-K)节点为研究对象,进行了7个CFST-K形节点和1个钢管K形(ST-K)节点足尺模型试验和实体有限元分析;分析了现有CFST-K形节点应力集中系数的适用性;基于管内混凝土约束作用对CFST-K形节点变形形态的影响,提出了CFST-K形节点应力集中系数的缓解系数,并采用理论分析方法推导得到考虑管内混凝土约束作用的CFST-K形节点应力集中系数计算方法。结果表明:CFST-K形节点的最大应力集中系数均出现在受拉支管与主管相贯焊缝靠近主管侧冠点位置;CFST-K形节点应力集中系数与壁厚比呈正相关关系,而径厚比与管径比对CFST-K形节点应力集中系数影响较小;CFST-K形和ST-K形节点最大应力集中系数分别为3.98和6.08,管内混凝土能使CFST-K形节点应力集中系数下降约34.5%。现有CFST-K形和ST-K形节点应力集中系数计算方法未能充分考虑管内混凝土约束作用对CFST-K形节点应力集中系数的影响,且未考虑几何参数之间的耦合关系,采用其进行CFST-K形节点应力集中系数计算时精度较低;所提出的考虑管内混凝土约束作用的CFST-K形节点应力集中系数计算方法可将计算误差由现有计算方法的58.0%降低至19.6%。

钢-混凝土混合变截面连续梁桥钢箱梁段合理长度研究

为简便估算恒载作用下钢-混凝土混合变截面连续梁桥的合理钢箱梁段长度,基于现有三弯矩方程推导适用于变截面连续梁的改进三弯矩方程;建立基于改进三弯矩方程的变截面连续梁弯矩简化计算方法,构建不同跨径的变截面钢-混凝土混合标准连续梁桥,并给出其钢箱梁段合理长度的预估公式.研究结果表明:基于改进三弯矩方程的变截面连续梁弯矩计算结果与有限元计算结果的偏差小于10%,可以便捷且准确地计算恒载下变截面连续梁弯矩;预估公式计算得到的钢箱梁段合理长度与实桥使用的钢箱梁段长度之间的误差在12.5%以内,预估公式具有良好适用性.

大跨混合连续箱梁桥钢混结合段传力机理试验与分析

依托福州马尾大桥设计制作了几何缩尺比为1∶3.5的钢混结合段大比例模型,采用精细化实体有限元方法,开展不同设计荷载组合工况下的静力加载分析,以揭示此类新型钢混结合段在大跨混合连续箱梁桥中的传力机理.结果表明:承载能力极限最大弯矩组合工况下,试验模型混凝土梁段全截面受压,结合面处顶板混凝土最大压应力为-23.6 MPa、底板钢板最大拉应力为115.8 MPa,均小于材料的设计强度;加载至1.4倍承载能力极限状态工况,钢混结合段试验模型并未出现明显破坏,各关键截面测点的荷载-位移/应变曲线基本呈线性关系,结构始终处于弹性工作状态,表明该钢混结合段的设计具有充足的安全储备;同时钢混结合段沿纵桥向分布的各截面竖向变形没有明显突变,说明该钢混结合段传力平顺,可保证主梁刚度从混凝土箱梁段到钢箱梁段的平稳过渡.相关研究成果可为今后此类混合连续箱梁桥的设计与施工提供参考.

多肢钢管-钢管混凝土复合主塔钢混结合段受力性能分析

某部分斜拉桥的异型主塔采用多肢钢管-钢管混凝土复合结构,在其塔底钢混结合段5根钢管混凝土塔柱相贯焊接在钢筋混凝土塔座的加劲板上,结构十分复杂。为分析钢混结合段的受力性能,利用通用有限元软件ABAQUS建立精细化三维实体有限元模型,并充分考虑结构复杂的空间几何形状、网格划分精度材料非线性、部件之间的接触关系以及边界条件等问题。最不利荷载工况下的荷载分析结果表明:钢混结合段整体受力较为均衡,变形连续协调;塔柱钢管应力均小于屈服强度,中塔柱与次塔柱相贯处出现较为明显的应力集中现象,管内混凝土局部出现较大的拉应力;管底钢板和加劲板的应力由边缘至中心逐渐增加,最大应力点均位于中塔柱和次塔柱交界处;混凝土塔座未出现开裂或压碎现象,但与管底钢板和加劲板相交处易出现应力集中现象。研究结果可为其他相似工程中钢混结合段的设计与施工提供参考。

单向纵坡预应力混凝土斜拉桥施工监控

闽江大桥由于采用单向纵坡,在桥梁施工过程中需要对桥梁的纵桥向位移进行监测。同时,大跨径预应力混凝土斜拉桥的施工监控,对于保证施工过程中结构的内力和变形始终处于规定范围内,以及成桥后的内力和线形符合设计要求,非常必要。通过对闽江大桥的施工过程进行理论分析、实桥测试,实现对桥梁施工过程的精细化控制。施工过程中两个最不利施工阶段的静力计算结果表明,施工过程中混凝土应力值满足要求。体系转换前后,主梁的纵桥向位移监测结果表明,阻尼器的设置可有效控制体系转换时主梁的纵桥向位移。施工监控结果表明,二期恒载完成后,桥面标高的实测值与设计院提出的计算值较为吻合;主塔偏位控制结果满足要求;全桥索力实测值与设计值一致,斜拉索索力控制结果满足要求;主梁和主塔的各应力控制截面应力没有出现拉应力,且最大压应力满足要求。