常泰长江大桥组合索塔锚固结构钢-混传剪构造足尺模型试验研究

常泰长江大桥索塔锚固结构采用钢箱-核芯混凝土组合结构,为研究该新型组合索塔锚固结构钢-混传剪构造的受力特性,进行钢-混传剪构造足尺模型试验研究。制作2个锚固结构足尺节段试验模型,通过压剪试验研究锚固结构的荷载~滑移曲线及应力、应变分布等受力特性,并通过有限元模型分析锚固结构的传力机理和各组件的内力分配比例,推导剪力钉剪力计算方法。结果表明:在2.14倍单索最大索力荷载作用下,锚固结构保持弹性状态,钢壁板未产生明显滑移,钢-混界面最大滑移不超过0.25 mm,该锚固结构中钢-混传剪构造至少具有2.14倍的安全系数;荷载作用下,剪力钉剪力从上至下逐渐增大,锚腹板附近底部3排剪力钉剪力较大,钢-混传剪构造至少存在剪力钉和界面摩擦力2种传剪机制,钢-混传剪构造的承载能力显著提高;钢-混传剪构造受力过程分为粘结力传力阶段和局部滑移阶段,剪力钉剪力分布不仅与沿剪切方向长度分布有关,也与荷载的大小线性相关。

点蚀效应下超强钢丝疲劳损伤演化及寿命预测

主缆作为悬索桥不可更换的关键承重构件,其钢丝的疲劳寿命将直接影响桥梁的安全性和耐久性。由于主缆通常暴露于侵蚀环境中,往往会产生不同形式的腐蚀效应,其中点蚀是一种破坏力强且十分典型的腐蚀损伤,通常会成为疲劳裂纹萌生的初始点,从而显著降低构件的疲劳寿命。为研究点蚀效应对超高强钢丝疲劳性能的影响,采用能反映腐蚀电化学机理的元胞自动机模型模拟点蚀复杂形成过程,并基于盐雾试验标定演化参数,获得超高强钢丝的表面点蚀坑模型;在ABAQUS中开发基于连续损伤力学的UMAT子程序,实现腐蚀钢丝的疲劳损伤演化与寿命预测,揭示腐蚀程度、蚀坑形状参数对超高强钢丝的损伤演化规律和疲劳寿命的影响。结果表明:采用元胞自动机方法能够准确模拟钢丝点蚀过程,生成的模型可以很好地展现真实的蚀坑形态和特征;在蚀坑处最早出现损伤,前中期损伤速率较慢,后期发展迅速;随着疲劳荷载的加载,蚀坑处会发生应力重分布现象,蚀坑底部的应力逐渐降低,周边应力反而增加;在元胞自动机中以质量损失率表征钢丝腐蚀程度,当钢丝的质量损失率从0.1%增加到0.25%时,其疲劳寿命减少约36.8%;点蚀坑的深宽比越大,形状越尖锐,钢丝越容易发生疲劳破坏。研究结果可为腐蚀环境下超高强钢丝的疲劳寿命评估和提高桥梁的耐久性提供参考。

马鞍山长江公铁大桥主航道桥中塔下横梁施工关键技术

马鞍山长江公铁大桥主航道桥Z4号中塔采用空间四肢A形钢-混组合塔,横向两塔肢间设下横梁,下横梁间设3道系梁,纵向两塔肢间不设置横梁。下横梁采用支架法分层浇筑施工。下横梁施工支架采用落地式钢管支架配套模板体系,受力性能满足要求;通过有限元计算比选下横梁混凝土分层浇筑方案并进行优化,采取(5.5+2.5)m分层方案,上、下层混凝土分别分为2块、3块分层分块浇筑;通过低温升、易泵送、高抗裂的C60混凝土研制、下横梁与塔柱倒弧结合面抗裂措施优化、分块间接缝构造形式及施工工艺优化、下横梁与系梁混凝土浇筑施工组织优化、混凝土温度智能化监控、预应力束张拉时机控制等混凝土防裂措施,有效解决了下横梁大体积混凝土易开裂的难题。

桥梁缆索钢丝腐蚀疲劳失效机理研究进展

桥梁缆索是缆索桥梁的主要承重结构之一。由于在长期服役过程中涉及潮湿、腐蚀与疲劳,缆索内钢丝在湿-热-力作用下易发生腐蚀疲劳损伤与断裂,危及桥梁安全运营,因此研究缆索的腐蚀疲劳损伤机理,对评估缆索腐蚀疲劳损伤对桥梁整体结构性能的影响,保障桥梁运营安全有重要理论意义和应用价值。本文对近年来缆索钢丝及相关金属材料腐蚀疲劳的研究进展进行了综述。在简要介绍了金属腐蚀疲劳机理与缆索腐蚀疲劳失效形式的基础之上,介绍了宏观尺度缆索腐蚀疲劳研究进展,讨论了典型损伤失效模型与寿命预测方法;从裂纹萌生与裂纹扩展两方面介绍了微观尺度缆索腐蚀疲劳的研究现状,讨论了其作用机制及影响因素;进行了总结和展望,提出了复杂环境模拟、多机制耦合作用与宏微观跨尺度模型的研究方向,从而为高性能、长寿命缆索钢丝的设计与开发提供理论基础。

马鞍山长江公铁大桥2100 MPa高强度钢绞线斜拉索及锚具研制

巢马铁路马鞍山长江公铁大桥副汊航道桥为(58+168+392+168+58)m双塔三索面钢桁梁斜拉桥,斜拉索设计采用抗拉强度2100 MPa、抗疲劳应力幅280 MPa的∅15.2 mm低松弛PE镀锌钢绞线拉索。为保证高强度钢绞线斜拉索的力学及锚固性能,根据其技术指标要求,在1860 MPa钢绞线基础上,研制2100 MPa钢绞线及配套锚具。通过提高钢绞线原材料盘条中C、Si、Mn元素含量及改进钢丝拉拔工艺,选择直径14.0 mm的PQS92Si-HT盘条为2100 MPa钢绞线原材料。为提高钢绞线的锚固性能,夹片选择20CrMnTi钢,夹片长度52 mm、牙高0.45 mm、锥角6°10′、表面粗糙度R a3.2以上且表面硬度不低于56 HRC。根据2100 MPa钢绞线锚具的载荷变化和现行锚具锚板的材料性能,锚板选择40Cr钢,并进行调质处理。对研制的2100 MPa钢绞线及配套锚具进行单孔锚及斜拉索锚具组件疲劳试验及疲劳后静载试验。结果表明:研制的2100 MPa钢绞线及其锚具组件均满足规范要求,可应用于马鞍山长江公铁大桥副汊航道桥。

环境因素影响下钢筋混凝土索塔爬模施工仿真分析方法

为探究爬模施工进程中索塔空间温度场和应力场分布,掌握塔柱线形特性,提出一种索塔爬模施工仿真分析方法.利用Fortran编程语言开发相应子程序,对结构施加复杂温度边界,实现不同节段混凝土水化放热、收缩徐变.利用Abaqus软件对索塔爬模施工过程进行分析.结果表明:施工过程中索塔空间温度分布不均匀,塔柱表里最大温差达25.9℃,向阳面与背阴面温差最大为9℃;考虑温度效应后,塔柱所受拉应力更大,且空间应力分布具有很强的时变性,索塔线形特征与变化规律也发生改变;施工塔顶累积竖向位移先增大后减小,在爬模第16节段达到最大值20.5 mm;施工过程塔顶累计顺桥向和横桥向位移更大,最大值分别为6.5和22.3 mm.

常泰长江大桥主航道桥纵向约束索CFRP筋材及成品索试制试验研究

常泰长江大桥主航道桥为主跨1208 m的公铁两用双塔钢桁梁斜拉桥,采用温度自适应塔梁约束体系实现对温度的完全自适应,该体系采用CFRP索作为纵向约束索。CFRP索采用127-∅7 mm扭绞型热挤聚乙烯平行CFRP筋材成品索。为保证CFRP索的质量,首先在工业化生产线上进行CFRP筋材试制及静载拉伸试验,然后在CFRP筋材试制基础上,进行CFRP成品索的试制及静载拉伸试验研究。结果表明:CFRP筋材试拉伸的强度为3099~3886 MPa,拉伸弹性模量为181~201 GPa;CFRP成品索加载至大于100%公称破断索力时,索体内的CFRP筋材未出现开裂、损伤、断丝等现象,锚固体(锚具及铸体)未见异常,拉伸弹性模量大于160 GPa,试验结果均满足相关要求。

外包钢壳混凝土拱形桥塔节段拼装几何姿态预测研究

赣州市集结大桥主桥为外包钢壳混凝土拱形桥塔斜拉桥,为确保钢混组合拱形桥塔节段拼装精准合龙,采用MIDAS Civil软件建立拱形桥塔空间几何模型,分析外包钢壳和混凝土湿重对桥塔变形的影响,采用切线初始位移法对桥塔施工阶段位移进行预测,通过求解制造线形对桥塔待拼装节段进行预偏修正,并与实测数据进行对比。结果表明:外包钢壳能显著减小桥塔变形;施工阶段桥塔变形主要由混凝土湿重引起,临时支撑能有效减小混凝土浇筑产生的横向变形。基于切线初始位移法的几何姿态预测方法能有效预测桥塔拼装全过程几何姿态,实测成桥阶段桥塔各节段最大偏位为6 mm,小于施工控制要求,具有较高的实施精度,可保证成桥状态下桥塔几何姿态的准确性。

钢拱塔斜拉桥的温度耦合效应和索力预测

钢拱塔斜拉桥的受力体系与传统斜拉桥有所不同,为研究环境温度变化对这种异形桥塔斜拉桥主要受力部件的影响,以某钢拱塔斜拉桥为工程背景,首先基于在线监测获取的环境和部件温度数据,分析斜拉索索力、拱塔倾角和主梁应变的温度时变效应;然后以斜拉索为研究对象,通过该桥的有限元模型升降温模拟,分析各部件温差引起的温度耦合效应对拉索索力的影响;最后以环境温度、主梁温度、桥塔温度为输入,索力为输出,利用长短期记忆神经网络对实测索力-温度数据进行映射,实现数据压缩和特征提取,建立温度-索力预测模型,再对网络模型输入新的温度监测数据,以预测索力。研究结果表明:主梁和钢拱塔温度变化具有周期性,且滞后于环境温度;主梁应变与环境温度的变化趋势基本一致但具有一定的滞后性,环境温度变化对拱塔倾角的影响很小且没有周期性规律;索力与环境温度呈线性负相关,且需要考虑斜拉桥各部件的温差所引起的温度耦合效应;长短期记忆神经网络对带有时序特性的数据训练效果好,建立的温度-索力关系模型准确度高,可用于该桥索力的实时预测。

大跨度斜拉桥半平行钢丝拉索对称断丝损伤分析模型

为了准确地评估半平行钢丝斜拉索在断丝后的恢复长度,本文提出了考虑断丝后索力重分布的斜拉索损伤评估模型。建立了半平行钢丝的变形相容方程、断丝平衡方程、摩擦力和接触力方程以及护套紧箍效应方程。确定未知量和建立控制方程,采用最小二乘法求解断裂钢丝的恢复长度。根据恢复长度计算斜拉索沿轴向的损伤系数,并代入有限元模型中对斜拉索面积进行修正,反复迭代直至斜拉索轴向应变的计算结果满足收敛条件。以常泰长江大桥为工程背景,揭示了断丝恢复长度和损伤系数沿斜拉索长度方向的分布规律。

常泰长江大桥斜拉索施工期扭转影响分析及防控装置设计研究

常泰长江大桥是世界上最大跨径斜拉桥,主跨跨径为1208 m。斜拉索规格和索力大,施工过程中斜拉索扭转问题突出。本文开展斜拉索扭转对主梁安装控制影响的研究,计算分析表明,斜拉索扭转对斜拉索钢丝应力、斜拉索索力均有一定影响,对主梁线形影响显著,斜拉索扭转0.5°,主跨位移变化0.46 m;提出了一种斜拉索张拉防扭转装置及其设计方法,现场应用中斜拉索张拉过程中无扭转现象,施工过程中最大线形误差小于5 cm。

马鞍山长江公铁大桥Z3号桥塔施工关键技术

巢马城际铁路马鞍山长江公铁大桥主航道桥为(112+392+2×1120+392+112)m三塔钢桁梁斜拉桥,Z3号桥塔为超高多肢钢-混组合塔,高308 m。上塔柱钢结构高87.5 m,分13个吊装节段,最重505 t;中、下塔柱混凝土结构高217.5 m,分38个节段液压爬模施工;钢-混结合段高3 m,内部采用PBL键+剪力钉+高强度钢锚杆+高强度混凝土结构形式。在中塔柱设置钢管临时横撑控制塔柱线形及应力;下横梁采用落地支架法分层施工,与对应塔柱同步浇筑;钢-混结合段混凝土采用C60细石补偿收缩混凝土+高强度灌浆料,保证了混凝土施工质量;采用工厂“2+1”立体匹配制造、“提升站+运输栈桥”钢塔节段转运等技术,并研制15000 t•m超大型塔吊,实现了钢塔柱大节段的制造、整体滩地运输和吊装;钢塔节段间采用栓焊组合连接形式,通过设置工艺隔板、双面坡口等措施控制了钢塔焊接变形;利用定位桁架临时锁定钢塔合龙段实现了钢塔的精确合龙,定位桁架受力及变形均满足要求。

基于长标距光纤光栅传感技术的智能碳纤维筋性能研究

光纤光栅(FBG)传感技术以其抗干扰、传感与传输一体化等优点,成为CFRP拉索智能监测重点研究方向之一。然而,传统CFRP拉索智能监测属于点式或局部传感,难以满足服役全时感知及高量程监测需求。因此,提出将长标距FBG传感技术与螺旋倾斜式技术复合,研制一种智能CFRP筋,并通过循环静力拉伸、低周疲劳(高应力状态下)与极限静力拉伸试验,探究各试验条件下智能CFRP筋的力学及传感性能和试验后性能损失情况。试验表明:智能CFRP筋应变传感性能在不同工况(15 kN、42 kN)下3次循环拉伸的线性相关系数均大于0.99,说明智能CFRP筋应变传感性能较好,具有可重复性,同时将FBG监测值与应变片监测值进行对比,表现出较好的吻合性。低周疲劳试验过程中FBG监测值与疲劳荷载变化规律一致,且监测值与理论应变上下限误差少于8%,试验过程中未出现数据异常、应变感知迟滞等现象,FBG存活率达到100%,验证了智能CFRP筋良好的应变传感性能,可实现智能CFRP筋轴向动应变的监测。在极限静力拉伸试验中,FBG最大波长变化量达13 454 pm,监测应变达到了11 000με以上,可实现智能CFRP筋更大量程应变的监测。经过3次循环静力拉伸和低周疲劳试验后智能CFRP筋的FBG监测值线性相关系数相比对照组试件有所提高,智能CFRP筋极限荷载有所降低,FBG应变监测量程受影响较小,前期试验主要对智能CFRP筋筋材造成了累积损伤。试验结果可为CFRP拉索智能监测的理论设计和研究提供重要的依据。

可滑动钢锚箱组合索塔锚固结构力学性能试验研究

佛山富龙西江特大桥4~26号斜拉索塔上锚固采用可滑动钢锚箱组合索塔锚固结构,为掌握这种新型索塔锚固结构的力学性能,开展1∶2缩尺模型试验,对滑动副的工作性能、钢锚箱和混凝土塔柱应力状态、钢锚箱与混凝土塔柱间竖向相对滑移量、斜拉索索力传递路径及混凝土塔壁裂缝的发展规律进行研究。结果表明:镜面不锈钢与双组份石墨烯改性氟碳漆涂层组成的滑动副摩擦系数为0.055,适合作为可滑动钢锚箱的滑动副;钢锚箱侧拉板在斜拉索索力作用下处于拉、弯、剪复合受力状态,最大应力为150 MPa,应力水平较低,混凝土塔柱顺桥向最大拉应力仅为0.57 MPa,即使不设预应力也无开裂风险;钢锚箱与混凝土塔柱间的竖向相对滑移量很小,二者间连接可靠,能够很好地共同承受竖向索力;滑动端锁定前,竖向索力几乎全部由钢锚箱的固定端通过剪力连接件传递给混凝土塔柱,水平索力几乎全部由钢锚箱承担,滑动端锁定后,斜拉索索力增量由钢锚箱与混凝土塔柱共同承担;加载至2.5倍标准组合索力过程中,结构依次出现竖向裂缝和水平裂缝,所有裂缝宽度均较小,最大宽度仅0.2 mm。

龙潭长江大桥主缆除湿系统送气管道开孔方案研究

龙潭长江大桥主桥为(615+1560+552)m单跨悬吊钢箱梁悬索桥,主缆由126股127丝平行钢丝索股组成,高强钢丝直径为6 mm、标准抗拉强度为1960 MPa,采用内部通干空气的新型除湿系统进行主缆防腐保护。该除湿系统由送气设备、送气管道、排气夹、监测气夹等组成,通过埋置在主缆截面中央的送气管道输送干空气。为确定送气管道的合理开孔方案,验证新型除湿系统的除湿效果,开展送气管道沿程干空气压力分布及主缆足尺模型除湿试验,并进行实桥现场检测。结果表明:龙潭长江大桥主缆送气管道沿程按45 m左右的间距设置出气接头,每个出气接头上开设6个直径为4 mm的出气孔,可满足边、中跨主缆全长范围的干空气输送需求;新型除湿系统可实现主缆截面的干空气全覆盖,随着干空气持续送气除湿,主缆内部各测点的相对湿度均能降低至50%以下,该除湿系统可达到预期除湿效果;实桥现场检测结果验证了送气管道制作和安装的精确性及开孔方案的合理性。

马鞍山长江公铁大桥主航道桥桥塔设计

马鞍山长江公铁大桥主航道桥为双主跨1 120 m的三塔钢桁梁斜拉桥,桥梁跨度大、受力复杂,桥塔设计要求高。桥塔设计过程中对边中塔比例、结构形式、结构尺寸等进行比选分析,基于提高结构整体刚度、优化中塔受力和控制中塔基础工程规模的考虑,最终确定采用中塔塔顶高程高于边塔,边塔、中塔均为钢-混组合结构的方案。边塔塔高308 m和306 m,采用平面A形塔;中塔塔高345 m,采用空间A形塔。桥塔分为上塔柱、中塔柱、下塔柱3个区段。上塔柱为钢结构,采用钢锚箱式索塔锚固结构。中、上塔柱交界处设钢-混结合段,结合段外壁板布置PBL剪力键和剪力钉,结合段内设有一圈锚杆,钢塔柱竖向压应力通过结合段的承压板和剪力连接件传递至混凝土塔柱,拉应力通过锚杆传递至混凝土塔柱。中、下塔柱为混凝土结构,五边形截面。中、下塔柱交界位置设置横梁,边塔布置1道下横梁,中塔布置2道下横梁,中塔2道下横梁之间通过3道系梁连接。横梁均为预应力混凝土结构,系梁为钢筋混凝土结构。经计算,桥塔受力满足设计要求,桥塔各构件受力明确、安全合理。

斜拉桥索塔锚固区环向预应力筋优化方法研究

为防止斜拉桥索塔锚固区开裂、改善锚固区应力分布,基于遗传算法结合三维数值仿真提出一种索塔锚固区环向预应力筋优化方法,该方法利用数值仿真模型识别混凝土待优化区域,将张拉系数作为设计变量,建立数学优化模型,再结合遗传算法不断迭代优化设计变量,使索塔锚固区达到最优应力状态。以溧宁高速公路景宁高架段斜拉桥为背景,通过数值仿真和足尺模型试验,建立优化模型并采用遗传算法以锚固区应力水平为优化目标对索塔锚固区环向预应力筋进行优化迭代,并依据实测预应力损失修正优化方案。结果表明:环向预应力筋能为锚固区塔壁提供6~8 MPa的预压应力,可有效增强锚固区塔壁的抗拉能力;足尺模型试验实测预应力损失约为10%,且通过试验测得的应力值与理论计算值相吻合,数值仿真结果准确;采用最终得到的预应力方案可使索塔锚固区最大拉应力降低27.1%,有效改善锚固区应力分布状况。

桥面运动对多索索网-阻尼器系统阻尼比的影响研究

斜拉桥多根斜拉索通过辅助索及接地阻尼器的连接共同形成多索索网-阻尼器系统,从而使拉索达到减振效果。为研究在桥面运动激励下多索索网-阻尼器系统自振特性的变化情况,首先,提出n索索网-阻尼器系统模型,建立系统平衡方程,同时引入桥面运动的影响;然后,通过使用Wolfram Mathematica软件对系统平衡方程进行化简及求解;最后,对系统进行参数分析,研究不同参数对系统自振特性的影响,同时对比系统自振特性在有、无桥面运动时的变化情况。研究结果表明:桥面运动激励对多索索网-阻尼器系统的自振特性产生显著影响;系统各阶频率随着阻尼系数的增大而增大;在桥面运动激励下,系统自振频率相对于无桥面运动时的自振频率减小,而系统阻尼系数与阻尼比关系曲线相对于无桥面运动的关系曲线后移;当辅助索位置愈远离拉索中部、辅助索刚度愈小、阻尼器位置愈靠近边界、斜拉索倾角愈小时,系统的阻尼比越小,即对系统的影响愈不利,反之则有利;当桥面运动与系统达到共振时,阻尼器近乎失去减振耗能效果,此时即为系统的最不利影响状态,因此在设计系统的减振措施时,应避开两者的共振区。

超大跨缆索承重桥梁用关键材料研发与示范应用

自上个世纪九十年代以来,我国在长大跨桥梁建设方面持续取得重大突破,桥梁跨径不断提升,尤其是以斜拉索、悬索桥为代表的缆索承重桥梁,分别有9座和8座桥梁位列世界前十,已成为世界第一桥梁大国。交通强国国家战略的提出和深入实施,推动跨江跨海及山区桥梁的建设,驱动缆索承重桥梁向超大跨方向发展,对缆索承重桥梁用关键材料提出了新的需求。2022年,科技部“十四五”国家重点研发计划“先进结构与复合材料”重点专项设立了“超大跨缆索承重桥梁用关键材料研发与示范应用”项目,面向超大跨缆索承重桥梁及锚固体系关键材料高性能、长寿命等发展需求,针对其在复杂服役条件下的疲劳退化、腐蚀破坏等问题,开发多元合金镀层钢丝、索股、锚固体系及缆索防护材料;揭示缆索及锚固体系在潮湿、腐蚀、疲劳等服役环境下的损伤及失效机理;形成缆索及锚固体系的服役性能高效评估和长效保障技术;制定缆索、锚固体系、性能评估与保障技术等专项技术标准或指南,实现示范应用。法尔胜泓昇集团有限公司联合9家桥梁缆索科研、设计、制造、建设管理领域的优势单位,承担了该项目。

悬索桥主缆截面固定网格多孔模型构建与流动特性研究

为研究悬索桥主缆除湿过程中紧束态钢丝束区域截面流动特性,以深中通道伶仃洋大桥为背景进行主缆截面固定网格多孔模型构建与流动特性研究。利用固定网格的方法,考虑钢丝束间隙,构建一种适用于悬索桥主缆截面的精准多孔模型,研究钢丝束间隙、通气方向、阻力系数计算方法、钢丝束阶数对空气流动特性的影响。结果表明:通气方向不同时,精准多孔模型体现了主缆截面内部流速分布的不均匀性以及流动阻力的各向异性;入口速度一定时,垂直通气时两侧间隙流速大于钢丝束内部流速,水平通气时水平间隙流速有所增大,垂直通气进出口压差大于水平通气,两者相差11.29%;对比采用Ergun公式计算的阻力系数模型与采用拟合计算的实际阻力系数模型,进出口压差差异随着入口速度的减小而逐渐增大,在入口速度为0.031 25 m/s时,水平通气和垂直通气下,2种模型进出口压差差异分别为89.5%和95.6%;钢丝束阶数不同时,各个阶数粘性阻力系数值相差小于1%,惯性阻力系数值相差小于2%,可认为阻力系数计算与钢丝束阶数近似无关。