随机轮载下钢桥面顶板与纵肋焊缝疲劳裂纹扩展特性研究

车辆轮迹横向分布是钢桥面板焊缝处产生随机应力谱的一项关键因素,加之焊接缺陷形态的随机性,诱发钢桥面板疲劳裂纹随机扩展行为。为了研究钢桥面顶板焊缝处疲劳裂纹的随机扩展特性,基于断裂力学理论与扩展有限元方法分析了轮迹横向分布对钢桥面板顶板焊根和焊趾等效应力强度因子的影响规律,揭示了轮迹横向分布离散度、初始裂纹深度和初始裂纹形态比对焊缝处疲劳裂纹随机扩展路径分布的影响规律。结果表明:轮载中心处于U肋正上方中心和焊缝中心位置分别为顶板焊趾和焊根的最不利横向加载工况;车辆轮迹横向分布对顶板焊根和顶板焊趾疲劳裂纹前缘应力强度因子影响差异显著,顶板焊根最大等效应力强度因子为85.99 MPa·mm^(1/2),比顶板焊趾增加了6.72%;轮迹横向分布离散度和初始裂纹深度与钢桥面板焊缝处疲劳裂纹随机扩展路径分布离散程度成正相关,初始裂纹形态比与其成负相关;焊缝细节初始裂纹深度越大,车辆荷载对其横向影响范围越大;焊缝细节初始裂纹形态比越大,车辆荷载对其横向影响范围变化不明显。

硅灰及矿渣粉对大掺量粉煤灰砂浆力学性能的影响及机理研究

以硅灰和矿渣粉(GGBS)为辅助胶凝材料,使用聚羧酸高性能减水剂,分别研究了硅灰和GGBS对大掺量粉煤灰砂浆抗压强度的影响。通过压汞测试(MIP)、扫描电子显微镜(SEM)以及X射线衍射(XRD)等方法对制备试件的孔结构、微观产物、物相组成进行分析,得到了硅灰和GGBS影响大掺量粉煤灰砂浆强度的机理。结果表明:单掺硅灰的大掺量粉煤灰砂浆的抗压强度随着硅灰含量增加先增大后减小,单掺GGBS的规律与硅灰类似;复掺硅灰和矿渣时,砂浆的强度较其他同龄期组均有一定的提高,二者表现出良好的协同作用;无论是单掺还是复掺,硅灰和GGBS都对大掺量粉煤灰砂浆强度有良好的提升作用。砂浆试件总孔隙率和大孔占比与抗压强度总体呈负相关,强度越高的砂浆试件微观结构越致密,但相比于总孔隙率,毛细孔和大孔占比表现出与抗压强度更好的相关性。当硅灰和GGBS质量分数分别为8%和6%时,砂浆28 d强度最大,为88.05 MPa。

高速公路智慧梁场预制梁流水线作业模式研究

针对高速公路传统预制梁场生产成本高、效率低、占地面积大及智能化程度低的问题,提出一种移动底台座式新型智慧梁场的建设思路,介绍了智慧梁场系统的总体框架设计及流水线施工工艺,分析了智慧梁场流水线模式关键技术的创新点及优势。

碱激发粉煤灰-矿渣-电石渣基地聚物的制备及强度机理

以粉煤灰、矿渣、电石渣为前驱体,采用氢氧化钠-水玻璃混合激发剂,将两者混合制备地聚物。考察前驱体配比和激发剂参数对粉煤灰-矿渣-电石渣基地聚物抗压强度的影响,通过压汞测试(MIP)和扫描电子显微镜(SEM)等对材料微观结构进行研究。结果表明:地聚物抗压强度随电石渣取代粉煤灰量、液固比和激发剂模数的增加先增大后减小,当电石渣取代矿渣量减少或激发剂浓度增加时,抗压强度不断上升;地聚物的总孔隙率和大孔占比总体与抗压强度呈负相关,强度越高的地聚物微观结构越致密。试验得出的地聚物最优配比为粉煤灰、矿渣、电石渣质量比为32∶15∶3,液固比为0.55,激发剂浓度为30%(质量分数),激发剂模数为1.2,对应的28 d抗压强度为77.83 MPa。

电石渣对碱激发粉煤灰-矿渣抗碳化性能的影响

为实现工业废料的二次利用,将电石渣部分替代粉煤灰掺入碱激发粉煤灰-矿渣(AAFS)中,制备碱激发粉煤灰-矿渣-电石渣复合凝胶材料(AAFSC)。本文考察了不同电石渣掺量下AAFSC的抗碳化性能,并通过压汞测试、热重分析、X射线衍射仪和扫描电子显微镜等分析材料的微观结构。结果表明:经快速碳化作用,AAFSC的孔隙结构会向有害孔发展,抗压强度明显衰减;AAFSC在碳化前中期的抗碳化性能优于AAFS,但随碳化龄期延长,这种优势逐渐减小甚至消失;试验推荐的电石渣掺量质量分数为6%,此时AAFSC在碳化前中期具备最佳抗碳化性能,且在碳化后期仍具有最大抗压强度39.92 MPa;随电石渣掺量增加,AAFSC中Ca(OH)_(2)含量增加,这些Ca(OH)2在碳化过程中被消耗,生成了方解石、霰石等碳酸盐。

正交异性钢桥面板的贯穿型疲劳裂纹扩展特性分析

为了研究钢桥面顶板与U肋焊缝处贯穿型裂纹的应力强度因子和扩展行为,结合线弹性断裂力学理论与ABAQUS-FRANC 3D交互技术,建立了钢桥面顶板焊缝处贯穿型裂纹的数值分析模型,开展了不同初始长度贯穿裂纹应力强度因子的分析和单一长贯穿型裂纹扩展模拟的研究。对比分析了顶板与U肋焊缝细节处不同长度贯穿型裂纹的裂尖应力强度因子,揭示了初始裂纹尺寸与基础裂纹的应力强度因子之间的变化规律,考虑KⅡ、KⅢ对单一长贯穿型裂纹扩展的影响。数值分析结果表明:在规定荷载作用下,基础裂纹尺寸与初始应力强度因子成正比;随着贯穿型裂纹的桥纵向开裂,扩展趋势稳定;对比只考虑I型开裂贯穿型裂纹,引入KⅡ、KⅢ贯穿型裂纹扩展速率明显减缓:贯穿裂纹初始长度相同的情况下,仅考虑K I的裂纹平均扩展速率为4.097 mm·c^(-5),考虑KⅡ、KⅢ的裂纹平均扩展速率为1.565 mm·c^(-5),扩展速率抑制效果明显。

随机车流作用下悬索桥钢桥面板疲劳损伤与寿命评估

为了评估大跨度悬索桥钢桥面板在车流荷载作用下疲劳安全性,在实测车流数据的基础上,采用有限元数值模拟方法对某主跨为820 m的悬索桥钢箱梁顶板-U型肋构造细的疲劳损伤及寿命进行研究。通过对动态称重(WIM)实测车流数据的统计分析建立随机车流模型,基于应力-寿命(S-N)曲线和线性累积损伤准则分析运营状态和交通量增长对悬索桥钢桥面板构造细节疲劳损伤及寿命的影响。研究结果表明:随着密集运行车辆占有率的增加,疲劳损伤呈较缓增长趋势;随着交通量系数的增长,疲劳损伤呈加速增长趋势。与密集运行车辆占有率相比,交通量增长系数对疲劳损伤有较大的影响。在交通量增长系数达到6%时,钢桥面板细节疲劳寿命小于设计基准期,基于实测车流数据的疲劳性能评估对确保钢桥面板在运营期的安全性尤为重要。

基于联合智能算法的大跨度斜拉桥体系可靠度评估

在随机荷载作用下,大跨度斜拉桥结构体系具有显著的失效历程,使得运营期的体系可靠度评估尤为重要。根据大跨度斜拉桥结构体系失效特点建立了数学模型,提出了基于径向基函数神经网络和β约界法的联合智能算法。以具有4对斜拉索的法国Brotonne斜拉桥为算例,验证了该方法对于斜拉桥结构体系可靠度分析的可行性。最后,将该智能算法应用于主跨为420m的双塔混凝土斜拉桥在承载能力极限状态下的体系可靠度评估,并进行了参数分析。研究结果表明:联合智能算法在具有显著失效历程特征的斜拉桥结构体系可靠度评估中具有较好的适用性;Brotonne斜拉桥简化结构的体系可靠指标上限和下限分别为3.1571和3.1103,刚构体系混凝土斜拉桥的主要失效路径为边跨斜拉索强度失效导致塔梁交界处索塔弯曲失效;斜拉索抗力退化是影响斜拉桥结构体系可靠度的重要因素,与斜拉索疲劳损伤相比,斜拉索锈蚀导致斜拉桥在运营期的体系可靠度下降趋势更大。斜拉索的养护和及时更换对保证在运营期斜拉桥的体系可靠度水平具有重要的意义。

交通量持续增长下大跨桥梁时变极值外推分析

随着交通运输行业的迅速发展,持续增长的交通荷载逐步成为威胁既有桥梁运营安全的重要因素。为了研究现有交通荷载持续增长对大跨桥梁安全水平的影响,提出考虑交通量区间增长的车载效应极值外推方法,采用基于"时间离散"和"极值概率串联"的改进Rice公式捕捉交通量持续增长导致极值概率的时变特征,由两个数值算例验证考虑交通量增长的时变极值外推的精确性。基于某高速公路实测车流数据模拟了随机车流,预测了车流量线性增长下悬索桥运营期内的最大位移。研究结果表明:交通量增长导致荷载极值时变特征显著,基于独立同分布假定的经典极值理论与Rice公式均无法准确地对拟合高尾极值,而改进Rice公式可精准拟合并外推极值;在交通量年增长系数为1%~3%时,某悬索桥设计基准期内的车载效应放大系数为1.30~1.98;若交通量年增长系数大于3%,则该桥梁1000年重现期的最大位移将大于设计标准值。

车载下大跨度桥梁动力可靠度评估

为了评估大跨度桥梁在车流荷载作用下的适用性,基于某高速公路车流监测数据建立随机车流模型,分析在3种随机车流作用下悬索桥位移的动力可靠度.采用车-桥耦合振动分析方法求解桥梁动力响应,以位移首次超越准则估算失效概率,并分析密集车流占有率对桥梁可靠度的影响规律.结果表明:在随机车流作用下,悬索桥主梁动力响应均值的最大值位于跨中位置,响应均方根最大值位于1/4跨径位置;大跨度桥梁运营期位移超限的适用性可靠度与密集车流的占有率相关;随机车流荷载模型包含车流的概率特征,可用于大跨度桥梁动力响应的概率建模,且在桥梁动力可靠度评估中有一定的适用性.

基于WIM的随机车流建模和简支梁桥荷载效应研究

为研究实际车辆运营状态下的行车参数特征及车辆荷载作用效应,基于宜泸高速南溪长江大桥路段的动态称重系统(WIM)实测数据,建立了符合宜泸高速行车车速、车距和轴重参数的概率模型,依据MATLAB软件编制随机车流模拟程序,对6种跨径(6,8,10,20,30,40m)的简支梁进行随机车流加载,得到随机车流作用下简支梁桥设计基准期内的荷载效应极值概率分布,并与我国公路Ⅰ级、英国BS 5400和美国AASHTO设计荷载规范对比。结果表明:车流量和车速大小随驾驶人员作息时间呈规律性变化;纵向车距服从威布尔分布,各车道车辆分布不均衡;车辆轴重服从高斯混合多峰分布;随机车流作用下简支梁桥的实际荷载效应平均值为设计荷载效应平均值的0.82倍,满足设计要求。

组合高墩大跨连续刚构桥箱梁日照温度场观测与效应分析

基于四川荥经县钢管混凝土高墩大跨连续刚构桥(腊八斤特大桥)箱梁温度场连续观测结果,研究混凝土箱梁温度场随时间变化的规律,利用数理统计方法,拟合日照升温模式下箱梁截面的温度梯度,研究结果表明:沿梁高竖直方向温差呈现指数函数变化。目前,各国规范关于混凝土箱梁温差取值规定不尽一致,利用空间有限元程序计算,对比分析钢管混凝土高墩大跨连续刚构桥混凝土箱梁受各国不同温差作用下的内力与应力,研究结果表明温度梯度对组合高墩大跨连续刚构桥的内力有着不可忽视的影响。依据本桥箱梁温度观测数据提出的温差计算模式,可作为计算四川雅安地区桥梁工程日照温差效应时的参考。

基于体系可靠度的钢桁梁结构优化设计

建立钢桁梁结构体系可靠性优化的数学模型,在常规优化模型的基础上,以纵梁和横梁的弯曲失效、腹杆拉应力和屈曲失效为主要失效模式,采用β约界法构建出相关性较低的构件并组建成失效树。提出适用于钢桁梁结构的体系可靠性优化方法,该方法采用神经网络方法求解具有隐式功能函数复杂结构的体系可靠度,然后将体系可靠度通过罚函数的方式引入到个体适应度计算中,通过遗传算法实现体系可靠性优化。采用2种优化方案对某悬索桥钢桁梁结构进行体系可靠性优化分析。研究结果表明:该结构最初失效状态主要表现为腹杆的压应力屈曲失效,最终失效状态表现为纵梁和横梁跨中弯曲失效;2种方案的优化结果都表现为纵、横梁截面面积的减小和腹杆截面面积的增加,这表明该结构的纵梁和横梁的抗弯刚度较大,而腹杆屈曲强度储备稍不足。

基于更新支持向量的大跨度斜拉桥体系可靠度分析

针对斜拉桥静力体系可靠度分析中隐式功能函数重构和繁杂失效路径的特点,提出了一种基于更新支持向量的体系可靠度分析方法,将传统的用于构件可靠度分析的支持向量机(SVM)改进并应用于斜拉桥体系可靠度分析。该方法主要有4个步骤:首先通过构件的敏感分析识别斜拉桥的主要失效路径;其次采用最小二乘支持向量机(LS-SVM)对斜拉桥的隐式功能函数进行重构,并通过Monte-Carlo抽样得出构件的可靠指标;然后根据已经更新的有限元模型对支持向量进行更新,得出相关构件失效后的剩余构件的条件可靠指标;最后由结构体系的失效树和串并联关系得出斜拉桥的体系可靠度。主跨为420m的混凝土斜拉桥算例分析表明了上述算法的有效性和实用性,同时也获得了该斜拉桥的主要失效路径并识别了影响其体系可靠度的主要构件。

随机重载车辆作用下简支梁桥疲劳可靠度评估

为研究实际重载交通荷载作用下简支梁桥疲劳安全水平,提出了基于随机重载车流的既有桥梁疲劳可靠度分析方法。基于高速公路桥梁动态称重车流数据建立了重载随机车流模型,采用响应面方法分析随机车辆对桥梁产生的等效疲劳应力,模拟了考虑车辆超载率上限的疲劳应力谱,估算了运营期内交通变化对简支梁桥疲劳可靠指标的影响。研究结果表明:总重相等的不同车型对简支梁桥产生的等效疲劳应力幅不同,主要表现在随着车轴数量的增长,桥梁的等效疲劳应力幅有所降低;在未控制超载车辆时,桥梁的疲劳应力谱表现出明显的双峰特征,而采用超载率上限控制措施之后,高幅疲劳应力概率密度峰值有所降低;交通量增长导致桥梁疲劳可靠指标显著降低,且随着运营期的增长该下降趋势更加明显;设置100%和50%的车辆超载率上限,将导致40m简支T梁桥在运营期内疲劳可靠指标分别由2.54升高至2.74、2.91。

结构体系可靠度分析的改进支持向量回归

针对结构体系可靠度分析的关键问题,在传统支持向量回归方法(SVR)的基础上引入2个支持向量更新步骤,提出适用于结构体系可靠度分析的改进支持向量回归(ASVR)方法.将传统SVR与遗传算法(GA)结合搜索关键构件功能函数的验算点,采用重要抽样Monte-Carlo模拟得出构件的失效概率.基于β约界法筛选潜在的失效构件,根据变化的有限元模型再次更新SVR模型.基于上述2个更新步骤,改进传统构件可靠度分析的SVR算法并用于结构体系可靠度分析.数值算例分析表明该算法的计算效率与精确性,斜拉桥的算例分析证实该算法在实际工程结构中的适用性,同时得到该斜拉桥的2条主要失效路径.

随机车流下公路钢桥疲劳可靠度分析

为了建立车载下公路钢桥疲劳应力概率模型,将典型疲劳车辆改进为随机车流模型,提出基于响应面法(RSM)的随机车流下钢桥疲劳应力概率分析方法.建立考虑随机车流参数的疲劳损伤功能函数,分析交通量和车重增长对疲劳可靠度的影响.研究结果表明,基于RSM的有限元模型替代方法可以高效地分析随机车流下钢桥的疲劳应力;车重和交通量的增长对桥梁的疲劳可靠度有较大的影响,在交通量增长系数达到3%或车重增长系数达到0.4%时,某钢箱梁桥在设计基准期内的可靠指标低于目标可靠指标.随机车流模型在桥梁疲劳应力概率分析与可靠度评估中具有较好的适用性.

高墩大跨连续刚构桥的行车舒适性研究

桥梁不仅要满足行车要求,还必须满足行人和车辆通过时的舒适度要求,评价行车舒适性的标准一般基于车体的振动加速度。该文根据空间整车模型,得到车桥耦合的运动微分方程并编制了车桥耦合分析程序,计算了车辆过桥时车体各个方向的加速度响应;然后把可靠度与行车舒适性结合起来,以ISO 2631指标中的加速度上限值为破坏限值来拟合某一舒适性等级的极限状态方程,根据调查统计得到随机车流的参数分布特征,以某一高墩大跨桥为例,从可靠度角度评价车辆在该桥行驶过程中的舒适性。

基于自适应MC法大跨连续刚构桥施工控制可靠度研究

针对预应力混凝土连续刚构桥不同施工阶段的抗力相关性和荷载相关性特征,基于随机过程模型,建立了桥梁施工期的抗力概率模型和荷载概率模型.采用自适应MC法,对实际工程进行可靠度研究.基于可靠度理论研究方法,验证了实际工程施工控制过程各项指标.研究结果对于确保预应力混凝土连续刚构桥建设的安全性和科学性,具有一定的理论价值和现实意义.

基于首超准则的随机车流下悬索桥加劲梁动力可靠度评估

为了研究考虑车辆运行状态的大跨度悬索桥加劲梁动位移概率特征及桥梁运营期的安全水平,基于实测车流数据和动力可靠度理论分析悬索桥加劲梁在运营期内车致响应的动力可靠度。建立考虑车辆占有率的桥梁动力可靠度数学模型,分析主跨为820 m的悬索桥在运营期内稀疏运行车辆和密集运行车辆作用下的加劲梁位移动力可靠度。研究结果表明:在随机车流作用下,悬索桥加劲梁在1/4跨节点的位移动力响应均方根最大,且加劲梁位移的界限跨越率随车辆样本数量的增大趋于稳定;在100 a内,实际运行状态下的动力可靠指标由5.92降至5.11,介于密集运行状态与稀疏运行状态之间;在不考虑桥梁抗力退化的情况下,随机车流作用下悬索桥加劲梁位移超限失效事件主要由密集运行车辆引起,但随着密集运行车辆的增大,可靠指标下降趋势减缓。