基于多失效模式损伤度相容的钢桥面板抗疲劳设计方法

疲劳荷载是决定正交异性钢桥面板疲劳寿命的外因,重载条件下钢桥面板的短寿问题尤为突出。多构造细节和多疲劳失效模式是钢桥面板疲劳问题的基本属性,其疲劳性能由构造细节疲劳寿命最短的疲劳失效模式决定。考虑剪切结构应力的疲劳寿命效应,基于疲劳裂纹扩展速率与疲劳寿命间的相关关系规律,提出了同时适用于钢桥面板多构造细节和多失效模式疲劳性能评估的广义等效结构应力法,实现了相关构造细节和失效模式疲劳抗力指标的统一表征;进而以构造细节为单位,将钢桥面板结构划分为多级子系统,提出了疲劳损伤累积相容性指标,建立了基于多失效模式损伤度相容的钢桥面板抗疲劳设计方法;在此基础上以有效延长重载条件下钢桥面板的疲劳寿命为主要目标,对三类钢桥面板结构的疲劳性能进行了理论分析和疲劳试验研究。研究结果表明:所提出的广义等效结构应力法适用于钢桥面板各构造细节及其相关失效模式的疲劳性能评估,通过所提出的方法能够准确确定钢桥面板的主导疲劳失效模式;所提出的基于多失效模式损伤度相容的钢桥面板抗疲劳设计方法,可为有效提高钢桥面板的疲劳寿命提供科学依据。

纳米SiO_(2)强化再生粗骨料及其对混凝土抗压强度的影响

为研究纳米SiO_(2)(NS)对再生粗骨料及混凝土的强化效果,对15组不同NS掺量、NS加入方式和再生粗骨料取代率下的混凝土进行了抗压强度测试,结果表明:在龄期和NS掺量相同的条件下,混凝土抗压强度随着再生粗骨料取代率的增加而降低;混凝土的抗压强度随着NS的掺量的增加出现先上升后下降的趋势,取代率为50%和100%的再生混凝土,抗压强度在NS掺量为3%时达到最大;采用浸泡法强化再生粗骨料对再生混凝土的抗压强度提高效果不如采用直接掺入法。最后,提出了一个可用于预测NS对再生混凝土强化效果的公式。

耐候钢及其焊接节点大气腐蚀经时演化预测方法

为了给解决耐候钢桥在应用和发展中所面临的腐蚀问题提供理论方法与对策,针对耐候钢在大气环境中的腐蚀损伤演化特性,通过编制MATLAB程序,建立了基于三维元胞自动机技术的耐候钢焊接节点大气腐蚀经时演化模型。该模型根据耐候钢在大气腐蚀过程中发生的化学反应,将大气腐蚀系统中的关键元素抽象成4种元胞类型,并离散成元胞网格。对母材和焊缝分别定义了不同的元胞邻居类型,模拟了耐候钢焊接节点代表性体元在介观尺度上的腐蚀演化过程,并通过大气暴露试验验证了所提出方法的可行性和有效性,揭示了耐候钢焊接节点腐蚀动力学及蚀坑演化规律,分析了溶解氧浓度和溶解概率对腐蚀损伤的影响。在此基础上提出了耐候钢大气腐蚀经时演化预测方法。研究结果表明:所提出的耐候钢焊接节点经时演化模型稳定可靠,演化规律合理,当时间尺度和空间尺度分别设置为0.2年和100μm时,模拟结果与大气暴露试验数据吻合良好;耐候钢焊接节点的腐蚀损伤主要由溶解概率和溶解氧浓度决定,平均腐蚀深度随溶解概率和溶解氧浓度的增加而增大。所提出的耐候钢大气腐蚀演化预测方法能够较为准确地再现研究对象的大气腐蚀过程,描述和识别研究对象在大气中的腐蚀动力学、腐蚀形态和蚀坑分布特征,可为耐候钢及其焊接节点在长期大气腐蚀过程中的腐蚀行为连续预测提供依据。

纵肋与顶板新型双面焊构造细节的疲劳强度问题

钢桥面板的疲劳问题是制约钢结构桥梁可持续发展的关键难题,纵肋与顶板传统单面焊构造细节是控制钢桥面板疲劳性能、疲劳开裂危害最为严重的易损构造细节。以中国自主研发的纵肋与顶板新型双面焊构造细节为研究对象,研发了钢桥面板纵肋与顶板构造细节疲劳试验装置,参照近期中国典型重大工程的钢桥面板结构设计参数,在系统对比分析研究的基础上,设计12个构造细节疲劳试验模型和5个节段疲劳试验模型,通过疲劳破坏试验确定了纵肋与顶板新型双面焊构造细节的主导疲劳开裂模式和疲劳强度,探究了影响其疲劳性能的关键因素。研究结果表明:纵肋与顶板新型双面焊构造细节的疲劳强度显著高于纵肋与顶板传统单面焊构造细节,等效结构应力适用于纵肋与顶板新型双面焊构造细节的疲劳性能评估;实际熔透率不低于75%时多种焊接工艺条件下纵肋与顶板新型双面焊构造细节的主导疲劳开裂模式均为疲劳裂纹在顶板焊趾产生,并沿顶板板厚方向扩展,其名义应力疲劳强度高于90 MPa,等效结构应力疲劳强度高于100 MPa;制造缺欠是影响纵肋与顶板新型双面焊构造细节疲劳性能的关键因素;所研发的试验装置可通过构造细节模型实现对实际钢桥面板中纵肋与顶板焊接构造细节的准确模拟,准确获得纵肋与顶板构造细节疲劳性能。研究成果可为该长寿命新型构造细节的抗疲劳设计和工程实践提供依据。

致损荷载信息缺失在役钢桥的疲劳损伤状态重构方法

大多数在役钢桥的致损荷载信息缺失,根据不完备监测检测信息重构结构的疲劳损伤状态,是确保结构服役安全的基本前提。基于部分疲劳开裂信息反向重建等效致损荷载信息,提出了致损荷载信息缺失条件下的在役钢桥疲劳损伤状态重构方法。首先通过线性损伤累积理论和等效结构应力评估方法计算不同荷载工况下的疲劳敏感构造细节疲劳损伤累积;以钢桥服役期间疲劳损伤监测检测获得的疲劳裂纹检测结果为约束条件,将荷载工况的线性组合作为等效荷载历程,实现了在役钢桥结构的疲劳损伤状态重构;通过模型试验对所提出的疲劳损伤状态重构方法进行了验证。研究结果表明:基于疲劳裂纹损伤信息,在致损荷载信息缺失条件下重构得到的疲劳敏感构造细节损伤状态重构结果与试验结果吻合,证明了致损荷载信息缺失条件下实现疲劳损伤状态重构的可行性和所提出方法的有效性,为在役钢桥的实际疲劳损伤状态评估提供了新思路和新方法。