基于等效结构应力法的高强钢焊接结构低温主S-N曲线

现有的疲劳S-N曲线已不再适用于北极的低温环境,为了评估北极海洋工程设备材料的低温疲劳寿命,有必要建立金属结构尤其是焊接结构的低温疲劳S-N曲线。本文基于等效结构应力法,计算出Q690高强钢管环焊缝的主S-N曲线,并通过共振疲劳试验对该方法进行了验证。在此基础上,结合大量的高强钢焊接结构试验结果,将温度敏感因子c引入到低温疲劳主S-N曲线的推导中,首次建立了基于低温金属焊接结构的主S-N曲线,并对文献中的疲劳S-N试验数据和ASME中的修正方法进行了对比和验证。结果表明,等效结构应力法能够较准确地计算出焊缝疲劳S-N曲线,推导出的金属焊接结构低温主S-N曲线与试验曲线吻合较好,能够满足低温地区工程要求,可为高强钢焊接结构在北极地区低温环境中的广泛应用提供理论指导。该方法可以为金属焊接结构的低温疲劳研究节省大量的成本,减少非标准试验操作造成的不必要的误差。这对北极海洋工程设备的设计、安全运行和疲劳评估具有重要意义。

火灾作用下剪力钉抗拔性能研究

为研究钢-混组合梁中剪力钉在不同温度场下的抗拔破坏模态和承载力,以某铁路桥钢-混组合梁为基础设计剪力钉试件,采用Abaqus软件建立试件有限元模型,分析剪力钉试件在双面受火、混凝土单面受火和钢板单面受火3种形式下的抗拔破坏模态、荷载~位移曲线和承载力,并根据承载力结果拟合不同温度下剪力钉的抗拔承载力计算公式。结果表明:钢-混组合梁在常温下和混凝土单面受火时,其受拉破坏模态为混凝土脆性破坏、剪力钉被整体拉出;在双面受火约10min后,其受拉破坏模态变为剪力钉的延性断裂;钢-混组合梁双面受火时,剪力钉的抗拔承载力在短时间内就会受温度影响急剧下降,30min后下降速度变慢,受火15,30,180min时,其抗拔承载力比常温时分别下降33.2%、59.1%、79.1%;混凝土单面受火时,剪力钉的抗拔承载力随受火时间下降较慢,受火180min时,其抗拔承载力比常温时下降10.2%。

铁路钢桥桥面铺装结构力学分析

桥面铺装结构是钢桥面板的重要防护体系。国内外对公路钢桥面铺装材料和结构开展了大量的研究,但针对铁路钢桥面的铺装研究却很少。本文以一铁路桥面铺装为研究对象,采用冷拌树脂沥青混凝土+树脂沥青黏结层+环氧黏结碎石层+钢桥面(ER铺装)防护体系,分析荷载工况、铺装弹性模量、铺装层厚度等因素对铺装层各项力学指标的影响。结果表明:在ZK特种活载作用下,倒T形大纵梁上方是铺装层可能产生纵向开裂的重点区域;铺设道砟、轨枕或钢轨对铺装层初始状态应力具有较明显的影响,其荷载效应约为ZK特种活载的13%;在ZK特种活载作用下,随着弹性模量或铺装厚度的增加,桥面竖向位移幅值有所降低。

近海风机单桩基础桩周土应力特征分析

桩周土体的力学响应规律对近海风机桩基础的变形和稳定性有重要影响。采用有限元方法对一个概化的近海风机单桩基础进行数值模拟,着重分析动荷载作用下桩基础和桩周土的变形规律、桩周土应力作用特征及应力主轴的旋转模式。发现桩周土体各方向的应力分量随循环荷载的作用呈现出周期性的往返变化,第一周期的应力路径与继后周期的应力路径明显不同,浅层桩周土存在显著的应力主轴往复旋转,旋转幅度可达60°。

应力主轴旋转下砂土力学特性的数值模拟分析

应力主轴旋转条件下砂土等颗粒材料的力学响应与细观组构及演化规律密切相关.通过将离散元数值模拟与室内物理试验在正应变分量发展、剪应力-剪应变关系曲线、体应变发展规律及影响因素等方面进行对比分析,验证了离散元数值模拟的有效性.在此基础上,将颗粒长轴定向组构特征和粒间接触法线组构特征分别用反映组构分布各向异性程度及主方向的变量表示,深入分析了应力主轴旋转条件下颗粒材料组构特征在一个循环周的演化规律,并同时考察了初始孔隙比和应力比对颗粒材料细观组构演化规律的影响.

基于宽板拉伸试验的Q690qE高性能桥梁钢断裂韧性研究

为研究应用于桥梁钢结构的Q690qE钢防脆断性能,以主跨408 m的汉江湾桥为背景,设计、制作Q690qE钢32 mm板厚母材、32 mm板厚焊缝、50 mm板厚母材、50 mm板厚焊缝4组试件,进行不同温度下的宽板拉伸试验,分析其断裂韧性。将宽板拉伸试验值作为断裂抗力,采用有限元法计算汉江湾桥典型受拉杆件在较不利工作应力下的断裂驱动力,评价桥梁钢结构采用Q690qE钢时的低温防脆断性能。结果表明:Q690qE钢32 mm板厚母材具有良好的低温防脆断性能,50 mm板厚母材的断裂韧性随温度降低具有明显下降趋势;在温度低于-20℃时,Q690qE钢32 mm、50 mm板厚焊缝的断裂韧性随温度降低具有下降趋势;与Q500qE钢相比,Q690qE钢母材和焊缝均具有较好的断裂韧性;汉江湾桥典型受拉杆件采用Q690qE钢时能够满足低温防脆断的要求。

新型超高性能混凝土铁路钢桥面铺装体系适用性研究

铺装层是铁路钢桥面结构体系的重要组成部分。以一种新型的超高性能混凝土铺装体系为研究对象,研究其在铁路钢桥面中的适用性,为其工程应用提供技术支撑。通过建立铁路钢桥面结构体系节段有限元模型,分析了该新型铺装体系在铁路钢桥面中的受力特点,指出铺装层最不利受力状态位于横隔板正上方。基于有限元分析结果设计了试验模型并进行了静载试验和疲劳试验。静载试验结果表明:面板竖向位移梯度最大值为0.021%,与有限元计算的竖向位移梯度0.020%几乎相等;铺装层最大拉应力为5.78 MPa,略大于有限元计算的最大拉应力3.00 MPa,试验结果偏于安全。疲劳试验结果表明:经400万次疲劳加载后,钢构件面板竖向位移梯度与初始值相比几乎没有发生变化;铺装层最大拉应力与初始值相比有较小的增幅,铺装层表观状态良好,未出现疲劳裂纹或局部破碎等劣化现象。

无砟轨道线路临时架空装置现场应用与测试

无砟轨道线路临时架空技术是在轨道病害修复过程中保障列车正常运行的关键。本文结合一高速铁路车站无砟轨道沉降整治工程,研发了适用于无砟轨道线路的临时架空装置。该装置以钢垫梁作为架空主体,可采用1片钢垫梁替换1块轨道板架设临时线路,也可采用多片钢垫梁替换连续多块轨道板,构成多跨连续的架空结构。架空装置施工便捷,稳定性好,安全可靠。现场应用测试结果表明,列车通过临时线路时的脱轨系数、减载率、轮轴横向力以及钢垫梁的跨中竖向、横向挠度等指标均小于相应限值。该装置所架设的临时线路能够满足高速铁路列车以速度45 km/h通行的要求。

适用于无砟轨道线路的梁式临时架空装置研究

针对我国高速铁路无砟轨道线路架空的需求,采用有限元法和车-桥动力耦合分析方法对适用于通行速度80 km·h^(-1)的梁式临时架空装置进行设计和研究,并就该装置提出临时架空线路轨道静态几何不平顺容许偏差管理值。结果表明:梁式临时架空装置水平、高低和轨向变形设计指标限值分别为5.0,6.0和5.5 mm;所设计的架空装置具有较好的整体性和施工便捷性,静力荷载作用下竖向位移最大值5.24 mm、2根纵梁竖向位移差值3.38 mm、横向位移最大值0.27 mm,不仅满足变形设计指标限值要求,还满足动力荷载作用下列车80 km·h^(-1)速度通行的安全性和舒适性要求;采用该架空装置的临时架空线路轨道静态几何不平顺容许偏差管理值为轨距-7.0~+15.0 mm、水平13.0 mm、高低13.0 mm、轨向12.0 mm。

基于CTOD特征值的桥梁钢防脆断评价方法研究

为保证铁路钢桥中高强度桥梁钢在低温环境下的服役安全,提出基于裂纹尖端张开位移(CTOD)特征值的桥梁钢防脆断评价方法。首先建立基于CTOD的桥梁钢脆性断裂判据,再基于断裂力学理论推导典型桥梁钢构件断裂驱动力理论公式,依据断裂韧性CTOD特征值随温度和厚度的变化规律提出断裂抗力经验公式。以Q690qE桥梁钢为例,基于以上方法,分析钢构件工作应力水平以及裂纹尺寸得到断裂驱动力,通过回归Q690qE桥梁钢的CTOD试验数据得到断裂抗力,将断裂驱动力和断裂抗力代入脆性断裂判据,得到了Q690qE桥梁钢在不同温度下的容许厚度。

柔性铺装防护体系在铁路钢桥有砟轨道桥面中的适用性

以冷拌树脂沥青混凝土铺装层为研究对象,通过试验研究其在铁路钢桥有砟轨道桥面中的适用性。研究内容包括铺装层耐道砟竖向刺穿疲劳性能和铺装层耐道砟水平向磨耗性能2方面。通过耐道砟竖向刺穿疲劳试验发现,以1. 5倍高速铁路列车轴重循环加载500万次,铺装层未出现明显的局部凸起、磨损、刺穿或破碎现象,状态良好;通过耐道砟水平向磨耗试验发现,在道砟往复摩擦作用下,铺装层与道砟之间的摩擦因数约为1. 06,冷拌树脂沥青混凝土铺装层具有较好的耐道砟水平向磨耗性能。冷拌树脂沥青混凝土铺装层对铁路钢桥有砟轨道桥面具有良好的适用性。

低温环境下Q690高强钢断裂韧性参数的试验与数值研究

考虑到北极寒冷的气候环境特点,采用夏比冲击试验和三点弯曲试验研究了名义屈服强度为690MPa的Q690高强钢的低温冲击韧性和断裂韧性,并基于试验结果建立了夏比冲击能与CTOD之间的非线性关系。基于CGM有限元方法研究了屈服强度、硬化指数、试样厚度和焊缝强度匹配系数对Q690高强钢母材和焊接试样CTOD阻力曲线的影响。结果表明,温度对夏比冲击能和CTOD的影响符合Boltzmann函数规律。低温使高强钢的韧性降低,脆性增强。根据Boltzmann函数,得到了Q690高强钢的韧脆转变温度,可作为寒冷地区工程材料选择的参考标准。硬化指数、试样厚度和焊缝强度匹配系数对高强钢母材和焊接试样的阻力曲线影响较大,而屈服强度影响相对较小,这对高强结构钢的选材具有重要的参考意义。