大跨度公铁双层斜拉桥主梁涡激共振机理与控制

以拟建的某主跨808 m公铁双层斜拉桥为工程依托,采用节段模型风洞试验研究不同攻角下双层桁架梁断面的涡振性能及5种气动控制措施的抑振效果,结合计算流体动力学(CFD)静态绕流模拟,对比分析双层桁架梁断面的涡振机理及控制方法.研究表明:主梁断面原设计方案在+3°和0°风攻角下存在明显的竖向和扭转涡振现象,且振幅超过规范允许值;间隔封闭上层桥面栏杆或增设抑流板可有效抑制主梁扭转涡振,但竖向涡振振幅仍不满足规范要求;上弦杆外侧增设风嘴可有效抑制主梁竖向和扭转涡振,而下弦杆外侧增设风嘴对主梁涡振抑振效果有限.气流经主梁原设计断面上层桥面分离后,在其上下表面形成周期性脱落的大尺度旋涡,并在上层桥面后部再附,这是主梁发生竖向涡振的主要诱因;上弦杆外侧增设风嘴可引导气流平稳通过上层桥面,消除了周期性的旋涡脱落,并在其上表面形成一段狭长“回流区”,从而有效抑制了涡振的发生.

钢-UHPC组合桥面板横向负弯矩区受弯性能研究

为明确横向负弯矩作用下,剪力键形式、接缝设置情形、配筋率和钢混界面黏结状态等参数对钢-超高性能混凝土(ultra-high-performance concrete,UHPC)组合板受力性能的影响,完成了8块组合板局部足尺模型静力弯曲试验及有限元参数分析。试验结果表明:开孔板(perfobond leiste,PBL)试件的名义开裂强度(对应最大裂缝宽度为0.05 mm)较栓钉试件提高16.8%;矩形齿缝试件的名义开裂强度较整浇试件降低16%~23%;UHPC层钢筋配筋率从1.96%增加到2.82%时,名义开裂强度提高16.2%;钢板-UHPC界面涂油除黏PBL试件的初裂强度和名义开裂强度较界面黏结试件分别降低10.1%和5.8%。数值分析结果表明:PBL贯穿钢筋的存在、PBL和栓钉间距的减小能有效提高组合板的开裂后刚度;PBL开孔钢板上的孔径和孔间距对组合板的受力性能影响较小。

型钢-UHPC轻型组合桥面板及其抗弯性能研究

正交异性钢桥面是目前800m以上国内外特大跨径钢桥的唯一选择,主因是自重轻、强度高、架设方便。但其存在疲劳开裂风险大、运维成本高的缺点。随着高性能材料UHPC的研发和应用,为构建自重轻、病害少、经济性好的桥面新结构提供了可能性。经过多年研究,作者提出一种新型桥面板结构——型钢-UHPC轻型组合桥面结构,将型钢、钢板条与UHPC组合,桥面板的形成无任何板件焊接,因而具有高抗疲劳性,且与传统钢桥面相比,自重持平、造价减半,可作为除“正交异性钢桥面”外的“第二种”大跨径钢桥的桥面结构方案。该文研究这种轻型组合桥面板预制板及横向接缝的抗弯性能,制作4个条带模型(包括2个预制板试件和2个接缝试件),开展三点弯曲的横向接缝负弯矩试验和预制板正弯矩试验,并对试验结果进行分析;基于“条带法”建立预制板试件极限承载力计算模型,提出接缝试件的UHPC开裂名义拉应力计算方法;基于某斜拉桥应用实例,进行整体计算和局部计算,验证新型组合桥面结构在实桥上应用的可行性。研究结果表明:(1)型钢与UHPC间在极限状态前相对滑移非常小,具有良好的协同受力性能;(2)预制板试件的正弯矩极限承载力以型钢屈服控制,而接缝试件负弯矩极限承载力以UHPC开裂和加密钢筋断裂控制;(3)接缝试件的“T形”接缝、加密钢筋、燕尾形的企口、交错式切割型钢钢条等构造设计对接缝整体抗弯拉性能有很好的提高效果;(4)预制板试件极限承载力计算模型所得计算值与试验值吻合良好,该模型搭配名义拉应力计算方法,可帮助工程实际问题的设计与应用;(5)试验结果与实桥的有限元计算值相比,新型桥面结构均有1.3倍以上的安全系数,新型组合桥面应用于实桥具有可行性。

Fe-SMA主动加固钢桥面横隔板弧形切口疲劳裂纹实桥应用研究

为确定铁基形状记忆合金(Fe-SMA)主动加固正交异性钢桥面板横隔板弧形切口疲劳裂纹的可行性,以某在役钢箱梁斜拉桥为背景进行实桥加固研究。根据现场横隔板弧形切口的开裂特征,在对裂纹钻孔止裂的基础上,提出利用Fe-SMA材料对横隔板弧形切口裂纹进行粘贴加固的方案,并进行加固施工。通过现场测试得到Fe-SMA板条热激活过程的应变和温度变化,分析Fe-SMA板条和钢板之间的相互作用及加固机理。结果表明:粘贴Fe-SMA板利用Fe-SMA热驱动形状记忆效应可有效便捷地为结构施加预压应力,实现对受损部位的主动加固;经过Fe-SMA联合止裂孔修复后,热驱动作用下的Fe-SMA可以产生200~240 MPa的预拉应力,并在钢板止裂孔边缘施加43~90 MPa的压应力,可有效阻止裂纹进一步扩展;加固体系在加热激活过程完好可靠,当控制一侧加热区域中部温度为200℃时,热传导作用下非加热区域中部的温度为60℃以下,而背面总体温度基本在90℃以下。

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。

焊接残余应力对钢桥面疲劳性能的影响与处理措施

为改善正交异性钢桥面的抗疲劳性能,对钢桥面进行退火处理以降低关键焊缝的焊接残余应力。首先系统性地回顾和探讨钢桥面焊接残余应力分布模式,同时就残余应力对疲劳裂纹发展的影响进行了文献分析。随后,归纳和总结了国内外主流焊接残余应力消除方法,并开展对比分析。借鉴压力容器制造方法,建议在正交异性钢桥面制造中引入退火处理工艺以降低焊接残余应力。研究聚焦钢桥面中疲劳问题较突出的顶板与U肋连接焊缝,设计了16个(其中9个退火处理,7未作处理)局部足尺单U肋试件进行残余应力测试与疲劳试验。试验结果表明,退火处理后焊缝残余应力实测值降低约80%,疲劳强度提高约23%。可以看出,退火处理可以大幅降低焊接残余应力,从而有效提升钢桥面抗疲劳性能。

日本UFC桥面板和UFC组合桥面板的研发与应用

日本较早期建设的城市高速公路桥梁中主要采用钢桥面板和混凝土桥面板。针对钢桥面板的焊缝疲劳开裂和混凝土桥面板的老化现象,研发了超高强度纤维增强混凝土桥面板(UFC桥面板)及UFC组合桥面板,具有高强度、高耐久性。UFC桥面板分为平板型和方格肋型2种类型,可应用于既有公路桥梁的桥面板更换以及新建公路桥梁的桥面板。UFC组合桥面板为在预制PC桥面板顶面设UFC层作为防水层,可省去预制PC桥面板防水层施工,提高施工效率。UFC桥面板和UFC组合桥面板在预制场预制、现场安装,施工便捷,已实际应用在阪神高速公路15号堺线玉出匝道桥桥面板更换工程、阪神高速公路1号环线信浓桥匝道桥新建桥梁工程、东北高速公路宫城白石川桥上行线既有桥面板更换等工程上,可提高桥梁结构的耐久性、减少桥梁养护工作量、降低养护成本。

温度作用下钢-UHPC轻型组合桥面疲劳性能研究

文中以宜昌长江大桥钢桥面加固改造工程为背景,通过有限元计算,分析不同温度作用下组合桥面疲劳易损细节的应力变化规律.结果表明:相比传统沥青钢桥面,钢-UHPC轻型组合桥面能够在不增加桥梁恒载情况下,降低疲劳细节应力幅值,改善钢桥面抗疲劳性能;不同温度作用下,相比传统沥青钢桥面,钢-UHPC轻型组合桥面各疲劳易损细节应力的降幅达15%~46%.

基于无剪力钉体系的RBPC钢桥面铺装技术及其应用

为探索长大桥钢桥面全寿命周期养护新技术,解决现有钢桥面铺装及正交异性板疲劳损伤的难题,开展树脂连接型超高性能混凝土RBPC铺装技术研发工作。研究结果表明:相比同条件环氧类EA铺装结构,RBPC铺装下钢板应力减少约40%,提升钢桥面结构刚度50%以上,验证此铺装结构对正交异性板具有一定刚度提升和补强效果;使用缓粘接湿粘接剂代替栓钉粘接防水抗滑层(RBChip)的新工艺,接触方式由“点”改“面”,便于后期维修养护,且全国首次在长江公路大桥铺装重置工程中成功应用。

高速公路桥梁变宽段曲线横移架梁技术研究

在桥梁工程中,对于既处在曲线段又是变宽段的预制梁安装路段往往不可避免,此时一般采用架桥机常规直线横移轨道进行架梁铺设,随之带来的问题是需要令架桥机前、中支腿错位排布,如此一来施工的精度、难度都有所提升,并且存在一定的安全隐患。依托于江西宜遂高速公路桥梁某路段,提出了使用曲线横移轨道为架桥机在曲线变宽段进行架梁作业时平稳过渡到支腿错位分布提供条件,以达到缩短工期、保障安全和提高经济效益的目的。

曲线钢箱梁桥面板力学行为及构造优化研究

研究目的:小半径曲线钢箱梁桥正交异性钢桥面板构造繁复,弯扭耦合作用下受力特性极为复杂。为了探究该类型桥面板力学特性,并提出合理构造优化建议,本文依托西安市某立交小半径曲线钢箱梁匝道桥,采用数值分析方法研究局部荷载作用下曲线钢箱梁桥面板力学行为,并基于正交试验方法,利用IntelliJ IDEA软件开发曲线钢箱梁桥面板构造优化程序,实现桥面板多目标构造参数优化。研究结论:(1)边跨最大正弯矩截面为大多数控制细节的最不利荷载控制截面,其中车轮荷载作用于边跨最大正弯矩位置时控制细节3(横隔板过焊孔圆弧位置)的主应力明显大于最大负弯矩和零弯矩位置,且车轮荷载作用于曲线钢箱梁外侧会增大桥面系应力;(2)车轮荷载作用于纵肋正上方和中间时产生的各控制细节主应力较相近,但作用于横隔板中间与正上方造成的局部应力具有显著差异,进而确定曲线钢箱梁正交异性桥面板各控制细节的最不利荷载作用位置;(3)通过多目标优化构造运算确定的曲线钢箱梁正交异性组合桥面板的合理构造,可显著改善桥面板力学特性;(4)本研究成果可为曲线钢箱梁正交异性桥面系构造设计和养护方法提供优化建议。

加肋钢悬臂支撑-底部钢板组合桥面拓宽技术

[目的]在桥面拓宽施工过程中,常出现新旧桥连接处纵向开裂、拓宽桥面横向开裂等典型问题,如何通过优化和改进桥面拓宽技术解决这些问题是桥梁工程的一个重要内容.[方法]以国内首座跨海大桥——厦门大桥的桥面拓宽工程为背景,提出了一种加肋钢悬臂支撑-底部钢板组合的桥面拓宽方法.该方法有机结合了钢-混组合梁、正交异性钢悬臂板、底部加固钢板等桥面拓宽加固方法,采用混凝土现浇板作为桥面板、湿接法连接新旧桥梁,然后通过外延加肋钢悬臂构建支撑结构,并兼做现浇桥面混凝土的永久性模板.[结果]厦门大桥桥面拓宽加固工程的三维有限元仿真结果表明,钢悬臂布置间距增大会导致拓宽部分混凝土桥面板的拉应力增加,而设置下部加固钢板对于拓宽桥梁结构的挠度和应力分布影响明显.[结论]通过合理布置钢悬臂支撑结构和底部钢板,可显著减少拓宽部分混凝土纵横向裂缝的产生,改善拓宽后的桥梁的力学性能.相关成果有效支撑了厦门大桥的拓宽加固改造施工,为同类工程提供了有益的参考.

基于透射信号的钢桥面板贯穿型裂纹超声检测方法研究

目的 提出一种基于超声波透射信号的钢桥面板贯穿型裂纹检测方法,提高在役钢桥隐蔽裂纹检测精度和效率。方法 采用数值分析方法研究了超声波在含裂纹面板中的传播机制,分析了不同裂纹参数与接收信号强度的变化规律,并通过顶板贯穿裂纹检测试验,进一步验证该检测方法的可行性。结果 裂纹检测参数建议激励晶片边长为4 mm、激励频率为5 MHz、K值为0.8;裂纹宽度小于0.1 mm时可忽略裂纹宽度对检出信号的影响,裂纹宽度大于0.1 mm时可将尖端反射信号作为判断依据;透射信号与裂纹深度呈负相关,恢复至最大值时的入射坐标与裂纹深度呈线性关系,作为裂纹深度的计算依据,检测误差在1 mm以内。结论 基于穿透信号的超声波检测方法,以恢复至最大值时的入射坐标为主要指标,可以实现钢桥顶板贯穿裂纹的有效检测。

正交异性钢桥面板横隔板疲劳损伤处治研究

钢箱梁上翼缘的正交异性钢桥面板,在车辆轮载的反复作用下,极易发生损伤和裂纹,且90%以上为疲劳损伤,而横隔板是正交异性钢桥面板主要损伤构件,占比28.8%.为研究钢箱梁正交异性钢桥面板横隔板病害的处治方法,通过病害统计、病害形成过程跟踪、病害成因分析、病害实桥处治,详述钢箱梁正交异性钢桥面板横隔板弧形切口处母材裂纹、横隔板上过焊孔处母材裂纹、横隔板与U肋焊缝裂纹、横隔板与面板焊缝裂纹四大类横隔板病害的处治方法.通过对例桥1维修三年后病害再生情况统计,所修480处横隔板相关病害中发生再生病害30处,再生病害发生率6.25%;通过对例桥2横隔板CFRP板补强完工三年后的检测,例桥3横隔板与U肋焊缝加强角钢补强完工后的检测,未发现补强部位再生病害.结果表明:所述各类病害维修方法可靠,对同类型病害维修具有参考价值.

基于金属磁记忆检测的正交异性钢桥面板疲劳应力检测

钢箱梁作为被广泛应用的桥梁建设结构,正交异性钢桥面板的连接焊缝多,受到车轮载荷的影响,容易产生疲劳应力和疲劳裂纹,进而可能造成严重安全事故,针对此类涉及正交异性钢桥面板疲劳应力检测的问题,提出了一种基于金属磁记忆检测的正交异性钢桥面板疲劳应力检测方法。首先,通过建立一个金属磁记忆检测系统,实现正交异性钢桥面板的金属磁记忆信号的时域、频域和时频域特征的提取;然后,建立各个信号特征与材料疲劳应力的极限学习机模型;最后,通过极限学习机模型对材料的疲劳应力进行相关估算。结果表明:该系统和极限学习机模型对正交异性钢桥面板的疲劳应力检测是有效的,且疲劳应力估算精度较高。研究结果可作为正交异性钢桥面板应力检测的一种重要技术手段。

基于深度学习的正交异性钢桥面板疲劳裂纹智能识别方法研究

为提高正交异性钢桥面板疲劳裂纹的识别效果,基于深度学习方法,进行正交异性钢桥面板疲劳裂纹识别方法研究。制作疲劳裂纹试件,通过室内检测采集检测结果图像建立数据集,结合图像预处理改进数据集中图像;基于单一回归目标检测(You Only Look Once,YOLO)系列中的YOLOv5s图像识别算法,引入轻量级卷积注意力机制(Convolutional Block Attention Module,CBAM),建立疲劳裂纹超声相控阵检测图像的智能识别方法;将该方法应用于超声波相控阵检测结果判读。结果表明:结合限制性对比度直方图均衡(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization,CLAHE)算法与自适应中值滤波的图片预处理方法较为适合超声相控阵检测图像的图片预处理;通过引入CBAM改进图像识别算法,图像识别的精确度相较改进前提升1.28%,达到98.74%;建立的YOLOv5s-CBAM图像识别算法能够准确地框选疲劳裂纹区域,对四类常见疲劳裂纹类型的识别置信度达到0.91,对其它裂纹类型的识别置信度达到0.85,在室内环境下能够满足疲劳裂纹的智能检测需求。

大跨度双幅非对称平行主梁涡激振动干扰效应研究

在双幅式桥梁的建设中,公路与铁路同层并排布置的大跨双幅非对称主梁属于较特殊的设计。由于公路桥与铁路桥的动力特性不一致、主梁尾流特性差异较大以及非对称双梁间存在特殊且显著的气动干扰,使得非对称双幅主梁的涡激振动特性更为复杂。为系统探究干扰效应对主梁涡振性能的影响,以一座大跨度公铁两用双幅桥为研究背景,开展了双幅主梁涡激振动风洞试验与流固耦合数值模拟,其中公路梁为Π型叠合梁,铁路梁为流线型箱梁。研究结果表明:公路梁位于迎风侧时出现了较大幅值的竖弯和扭转振动,且风速区间与结构振动频率具有典型涡振“锁定”特征,而位于背风侧时,振动现象基本消失;铁路梁位于迎风侧时未见明显振动现象,而位于背风侧时,试验观察到了大幅振动,且振幅具有迅速上升又迅速下落的特点,无明显“锁定”区间。数值流场表明,公路位于不同位置处(迎、背风侧)时,主梁附近涡结构的尺度与分布均有明显不同。当位于迎风侧时,下桥面腔内大尺度漩涡的存在以及涡结构的周期性变化是位于迎风侧时产生涡振的主要原因;当位于背风侧时,受干扰效应影响,下桥面腔内漩涡尺度减小,升力振荡频率改变,涡振锁定现象消失。铁路附近流场及压力分布表明:当位于迎风侧时,主梁附近流场稳定,自激升力近似为直流力;当位于背风侧时,受公路尾流的干扰,铁路表面存在较大面积的负压区,公路尾流的脉动导致了铁路气动升力的振荡,因而产生了大幅振动。研究了双幅非对称平行主梁间气动干扰效应对涡振性能的影响,揭示了涡振及气动干扰机理,为类似桥梁的工程设计提供了参考依据。

上承式拱桥立柱及盖梁平吊竖转施工工艺的创新

针对上承式拱桥拱上钢立柱及盖梁传统吊装方案存在的吊装节段多、施工周期长、高空焊接量大、安全风险高和施工成本高的缺点,提出了上承式拱桥立柱及盖梁平吊竖转施工新技术。分析了平吊竖转主要影响因素,提出了平吊竖转立柱尺寸需要满足的条件,并对立柱、立柱-盖梁组合体吊具设计方案进行了优化。通过工程实践证明,平吊竖转新技术,不仅有力地保障了施工质量,还节约工期72 d,降低高空作业安全风险66%,节约施工成本932万元,可以在类似工程中推广应用。

公路桥面径流收集系统构造设计与选型分析

为进一步完善和规范公路桥面径流收集系统,延长其服役寿命,先针对桥面径流收集系统的构造形式,对比分析了现有纵向排水管道固定构件的适应性,提出了不同桥梁截面形式所对应的最合理的排水管道悬挂附着方式;后针对桥梁伸缩缝位置、主桥与引桥截面变化处等的排水管道构造及设计问题,深入分析并提出了这些特殊位置处排水管道的连接方式。结果表明,针对不同桥梁截面形式,排水管道应采用不同悬挂附着方式,在桥梁结构特殊处应采用伸缩节或软管连接的方式。

橡胶改性纤维增强水泥基复合材料桥面连接板受拉性能研究

为对比分析低弹性模量的橡胶改性ECC(Rubberized Engineered Cementitious Composite)制成的桥面连接板与普通ECC桥面连接板的受拉性能,本文设计了两个同尺寸的橡胶改性ECC和普通ECC桥面连接板。试验结果表明:橡胶的加入,在相同配筋的情形下,ECC桥面连接板受拉时多缝开裂的现象更加明显,而对其最大抗拉承载力的影响甚微。另外,通过有限元模拟分析比较了配置FRP筋和钢筋时不同变形受力特点,有限元模拟结果表明,FRP能有效降低ECC连接板最大主应力,增强其多缝开裂特性。