基于车桥耦合振动的双层六线铁路桥梁疲劳性能评估

为探究双层六线铁路列车-桥梁系统耦合振动的空间效应,通过数值方法实现了车桥耦合振动的仿真计算,确定了空间影响规律及全桥最不利杆件位置,并应用于疲劳损伤评估.结合实际列车开行频率建立车桥系统仿真模型,获取桥梁变幅应力时程,并基于Miner线性损伤累积理论与S-N曲线进行疲劳损伤分析.结果表明:空间行车工况下车桥动力响应满足规范要求;相较于平面行车,空间行车时车辆动力响应增大,且动车组比货物列车增幅更明显,动车组安全性指标的空间-偏载系数达到3.808;空间行车对桥梁的横向位移影响严重,影响系数达到1.546;空间行车时桥梁各关键杆件的疲劳损伤指数出现不同程度的增幅,最高可达48.21%;桥梁服役期间主桁最不利杆件连接细节处疲劳损伤度为0.509.

基于随机车流的大跨径双层公路悬索桥疲劳性能评估

由于车辆荷载在桥梁上的分布状态极为复杂,在进行疲劳性能评估时,采用标准疲劳车进行加载不能真实反映杆件的受力历程.采用蒙特卡罗法模拟各个车道的随机车流作为疲劳荷载,将其加载到危险杆件的应力影响线上,得到更加符合实际情况的应力时程.随后采用雨流计数法处理应力时程得到危险杆件的应力谱,根据等效损伤累计理论计算危险杆件200万次的等效应力幅用以疲劳性能评估.结果表明,武汉杨泗港长江大桥钢桁梁疲劳性能满足设计要求.

地铁转向架排障器的结构改进及疲劳性能评估

针对某线路地铁列车在服役过程出现的转向架排障器断裂和边缘裂纹萌生现象,分析其故障原因,提出一种有限元分析与动应力试验相结合的疲劳性能评估方法,以验证改进排障器结构设计的合理性。首先,对出现断裂或边缘裂纹的排障器结构从设计及结构、制造和原材料方面进行综合分析,提出相应的结构改进方案。其次,依据EN13749标准对新型排障器结构进行静强度和疲劳强度分析,明确其危险部位。再次,综合考虑仿真分析结果及操作空间确定应变片布置方案,对其进行线路试验测试。最后,采用Miner线性累计损伤法则和IIW推荐的S-N曲线评估排障器的疲劳性能。结果表明:基于有限元分析和动应力试验的新型排障器疲劳性能均满足要求,二者相互佐证进一步验证新型结构设计的合理性,同时仿真分析结果为合理布置测点提供了理论参考。

直角突变式支座薄腹钢吊车梁疲劳性能评估与加固技术研究

设直角突变式支座的薄腹钢吊车梁,在吊车荷载作用下,腹板平面外变形产生的弯曲应力导致吊车梁腹板的疲劳性能明显降低。实际工程中的直角突变式支座薄腹吊车梁,在插入板端部位置的腹板沿竖向产生疲劳裂纹,裂纹长度最大达到300 mm,继续开裂会严重威胁生产安全。通过实测开裂的直角突变式支座薄腹吊车梁的动态应力、欠载效应的等效系数及平面外动态变形,得出吊车运行频繁程度和插入板端部切角弧度是影响插入板端部位置腹板疲劳强度的关键因素。采用有限元法和疲劳裂纹扩展分析技术,对直角式突变支座薄腹吊车梁插入板端部的腹板开展了拟静态疲劳裂纹扩展模拟,得出裂纹长度与应力强度因子的关系曲线。提出了适用于直角突变式支座薄腹吊车梁的钢板高强螺栓加固和“贝壳板”焊接加固两种加固方法,并对比分析了两种加固方法的有效性。证明钢板高强螺栓加固和“贝壳板”焊接加固均可有效降低裂纹尖端的应力强度因子,提高直角突变式支座薄腹钢吊车梁疲劳强度。

钢结构疲劳性能提升关键技术研究与应用

复杂荷载条件和服役环境条件下结构疲劳性能问题,是制约新型钢结构工程可持续发展的世界性难题,发展相关关键技术,有效提升其疲劳性能,保障结构的安全性与耐久性,是我国国民经济可持续发展的迫切需要和重大战略需求。本项目针对钢结构工程疲劳的关键问题进行联合攻关,取得了疲劳设计、检测评估及性能提升技术体系等系列创新成果。

正交异性钢桥面板焊接接头疲劳评估方法

传统正交异性钢桥面板疲劳性能评价方法评估精度不足,为准确评估其焊接接头的疲劳性能,基于线性累积损伤理论,探讨了结构应力法、切口应力法用于正交异性钢桥面板焊缝疲劳性能评估的可行性和准确性.以典型正交异性钢桥面板为研究对象,采用足尺模型试验和仿真分析,并结合已有试验数据对上述评估方法进行验证.研究结果表明:与结构应力法相比,采用切口应力法或传统名义应力法评价正交异性钢桥面板的疲劳性能时,评价结果的离散性大;采用结构应力法(离散度为3倍标准差的主S-N曲线时)更准确,适用于正交异性钢桥面板焊接接头疲劳性能评估.

钢结构桥梁疲劳2020年度研究进展

钢结构桥梁具有轻质高强、跨越能力大、易工厂化制造和便于装配化施工等突出优点,是桥梁工程的重要发展方向。但工程实践表明,疲劳与断裂是导致结构服役性能降低甚至引发灾难性事故的关键因素,严重制约了钢结构桥梁发展应用。学者们从不同的角度对于钢结构桥梁疲劳问题进行了深入系统的研究,现聚焦于疲劳失效机理与抗力评估方法、抗疲劳设计与建造技术、环境因素及其疲劳抗力效应机制、疲劳裂纹识别与监测检测、疲劳开裂处置与性能强化等主要方面。对2020年度在相关领域所取得的最新研究进展进行总结,梳理亟待解决的关键问题以及下阶段的研究重点。结果表明,钢结构桥梁疲劳问题是学术界和工程界的研究热点,在对疲劳性能分析评估理论方法、抗疲劳设计和长寿命结构、抗疲劳建造技术、疲劳损伤监测与疲劳微裂纹检测识别、剩余疲劳寿命预测与疲劳性能强化进行研究的基础上,构建钢结构桥梁全寿命周期抗疲劳技术,是未来的研究重点和重要发展方向。

钢桁架桥开裂横梁节点足尺疲劳试验研究

文中基于钢桁架桥实桥裂纹检测结果,选择全桥最大实测裂纹处的横梁与纵梁的节点制作足尺试件,进行钢横梁节点开裂前后和用栓接钢板加固前后的多组试件比照的疲劳试验,并基于试件疲劳试验的理论损伤度计算结果进行了加固后节点疲劳性能评估.研究结果表明:钢桁架横梁节点裂纹采用的栓接钢板加固方式对横梁开裂的局部区域应力幅改善显著,在试验荷载工况下,原裂纹几乎不再扩展;各试件破坏时的理论损伤度研究表明:加固后梁的整体寿命提高近8%.试件破坏过程表明在继续承受大应力幅疲劳荷载作用下,梁会在新的薄弱位置形核新的裂纹,可能出现新裂纹的易损部位主要包括肋板下端焊缝、下翼缘板螺栓开孔中心和下翼缘板贴钢板的边缘.

钢-超高性能混凝土组合桥面系中栓钉连接件的疲劳性能研究

针对钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥面系中栓钉连接件疲劳性能研究不足的状况,采用精细数值模型和模型疲劳试验,对岳阳洞庭湖大桥的钢-UHPC组合桥面系中栓钉连接件的疲劳性能进行了研究。在精细数值模型分析中,建立了岳阳洞庭湖大桥的多尺度有限元模型,提取了栓钉剪应力的影响面,基于中国《公路钢结构桥梁设计规范》的标准疲劳车,计算得到了栓钉等效疲劳剪应力幅。在模型疲劳试验中,取桥面系的正弯矩和负弯矩板带,设计了1组2个梁式足尺疲劳试件,其中正、负弯矩试件中的栓钉分别在119.5MPa和72.0MPa名义剪应力下经历了200万次疲劳加载。再考虑了影响面大小、车流量和设计年限等因素对等效疲劳应力幅进行修正,并对栓钉的疲劳寿命进行了评估。结果表明:试件在经历200万次疲劳加载后应变仍保持平截面,未发生明显界面疲劳破坏,可保守取119.5 MPa和72.0 MPa作为正、负弯矩板带试件中栓钉的疲劳强度;洞庭湖大桥组合桥面系中的栓钉连接件具有足够的疲劳承载力安全储备,能够满足120年的设计寿命要求。

港珠澳大桥正交异性钢桥面板纵肋现场接头疲劳特性

为研究正交异性钢桥面板钢箱梁结构纵肋现场接头的疲劳性能,以港珠澳大桥中2类典型闭口截面U形纵肋的现场接头(焊接与栓接)作为研究对象,对其疲劳特性进行了试验和理论研究。依据实桥结构尺寸设计了2组4个足尺试件模型,并对现场焊接与栓接2种常用接头形式在设计寿命服役期内的疲劳性能进行了试验验证,在此基础上,对既有正交异性钢桥面板疲劳损伤案例中占比例较高的焊接接头疲劳损伤特性进行了相关疲劳试验与疲劳性能评估;通过在焊缝两侧对称布置2排电阻应变计获得不同疲劳加载次数下各测点的主拉应力实测值,揭示了焊接接头局部区域主拉应力随疲劳加载次数的变化规律,并结合超声波与磁粉探伤判断焊缝位置裂纹的萌生状况;分别建立实体与板壳有限元模型,计算出用于焊接接头疲劳评估的等效结构应力幅,探讨了结构应力法应用于该类细节疲劳评估的可行性和合理性。研究结果表明:2类纵肋现场接头中各关键测点的主拉应力在疲劳验证试验阶段基本保持不变,其疲劳性能均满足设计要求且具有一定的安全储备;随疲劳加载次数的增加,疲劳裂纹萌生初期的累积损伤会引起附近局部区域结构刚度下降,导致该区域内的主拉应力值出现不同幅度的增大;结构应力法适用于正交异性钢桥面板纵肋现场焊接接头部位的疲劳性能评估,且评估结果稳定、离散性较小。