Crack stop holes in steel bridge decks:Drilling method and effects

Force analysis using a compact tension model, as recommended by ASTM, was carried out on a crack stop hole. The stress before, and after, drilling the hole was compared in terms of stress concentration and stress gradient. The optimum drilling location and diameter were studied through analysis of different locations and diameters. By analyzing the effects of flank holes and an additional hole, drilling advice was proposed and fatigue testing of the cracks in a steel bridge deck with a crack stop hole was conducted. The results show that the stress at the crack tip with a crack stop hole decreased, and the major principal stress around the hole was distributed accordingly. The optimum position of the crack stop hole centre was where the centre of the crack stop hole was situated behind the crack and the hole edge coincided with the crack tip. Therefore, hole diameters larger than 8 mm, or those weakening the section by 10%, were suggested as the best diameters. In terms of multi-hole crack stopping, a flank hole was not recommended. The optimum horizontal position of flank holes was at a distance of 1/4 of a single hole diameter from, and in front of, the single hole. Besides, the experiment showed that crack stop hole could only prevent cracks from growing and had no influence on crack growth rate.

Fatigue Reliability of Deck Structures Subjected to Correlated Crack Growth

The objective of this work is to analyse fatigue reliability of deck structures subjected to correlated crack growth.The stress intensity factors of the correlated cracks are obtained by finite element analysis and based on which the geometry correction functions are derived.The Monte Carlo simulations are applied to predict the statistical descriptors of correlated cracks based on the Paris-Erdogan equation.A probabilistic model of crack growth as a function of time is used to analyse the fatigue reliability of deck structures accounting for the crack propagation correlation.A deck structure is modelled as a series system of stiffened panels,where a stiffened panel is regarded as a parallel system composed of plates and are longitudinal.It has been proven that the method developed here can be conveniently applied to perform the fatigue reliability assessment of structures subjected to correlated crack growth.

混凝土铺装层开裂对正交异性钢桥面疲劳性能劣化作用研究

为合理评估混凝土铺装层开裂对正交异性钢桥面板疲劳性能劣化的影响,开展足尺模型疲劳试验并进行数值仿真分析,得到铺装层开裂后钢桥面板典型易损细节疲劳应力,并提出疲劳应力增大系数量化分析裂缝尺寸对各细节疲劳应力的影响效应。结果表明:混凝土裂缝深度不超过其厚度20%时,正交异性钢桥面典型细节疲劳应力增幅很小;混凝土层正下方的横隔板-U肋-顶板及横隔板-U肋细节疲劳应力对混凝土裂缝长度、深度变化较敏感,混凝土开裂对横隔板弧形开口处及U肋圆弧处的影响较小;纵桥向裂缝对疲劳应力的影响比横桥向裂缝显著,且多裂缝会明显增大疲劳细节处应力水平,会加速桥面结构疲劳性能劣化,因此须设钢筋网阻滞裂缝扩展。

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。

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。

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。

UHPC桥面板力学性能与承载力计算方法

为研究某超千米混合式组合梁斜拉桥超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)桥面板的静力抗弯力学性能,本文设计制备了抗压强度大于160 MPa.弹性模量大于45 GPa的UHPC材料,并开展了两片足尺UHPC桥面板静载抗弯试验,桥面板长宽高为3.8 m×1.0 m×0.17 m.通过分析UHPC桥面板抗弯受力状态和破坏机理,提出了UHPC桥面板受力计算图式,建立了UHPC桥面板的开裂弯矩和考虑UHPC受拉软化段应力下降的承载力计算公式.结果表明:UHPC桥面板具有优异的抗弯力学性能,开裂弯矩均值达到77.4 kN·m,受拉纵筋屈服时的弯矩均值为237.1 kN·m,板件破坏模式以底部受拉纵筋屈服为主要特征;理论公式计算值与试验值吻合较好.研究工作为UHPC桥面板在千米级斜拉桥主梁中的应用提供了理论分析和试验依据.

先简支后桥面板连续体系桥面板抗裂性能研究

先简支后桥面板连续体系是一种新型钢混组合结构,在该体系的中支点处设置一定长度的钢梁-混凝土桥面板分离段,可以改善桥面板负弯矩区的受力状态。目前对于该体系桥面板负弯矩区这一薄弱环节的试验研究尚属空白。本研究首先根据实际一座先简支后桥面板连续的钢混组合梁桥,设计制作了两跨1/4比例的缩尺模型,并通过安装、拆除带套筒剪力钉对中支点处的分离段长度进行调节。然后通过在两跨桥面上模拟单轮重轴荷载进行逐点加载试验,研究了分离段长度对桥面板受力状态和抗裂性能的影响。最后对原桥的抗裂性能进行了分析。结果表明,中支点处设置分离段的先简支后桥面板连续体系可显著改善结构的抗裂性能。本研究有助于推广先简支后桥面板连续体系在钢混组合结构中的应用、推动桥梁结构预制装配技术的发展。

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。

钢桥面板顶板-U肋焊缝裂纹萌生特征及扩展规律

【目的】研究轮载作用下钢桥面板顶板-U肋焊缝裂纹的萌生特征及扩展规律。【方法】通过有限元方法建立钢桥面板节段模型,分析了不同轮载位置下构造的变形特征,明确了轮载位置与典型变形特征的对应关系,相应建立了3种局部简化模型。在局部模型的基础上根据应力分布确定了裂纹萌生特征,并基于断裂力学进行裂纹扩展三维数值模拟。【结果】模拟结果表明,在以顶板为主的变形条件下,顶板焊趾和顶板焊根的最大主应力明显大于U肋焊趾处,裂纹产生后Ⅰ型应力强度因子远高于Ⅱ型和Ⅲ型;在以U肋为主的变形条件下,顶板焊根和U肋焊趾处的最大主应力垂直于U肋厚度方向,裂纹产生后Ⅱ型和Ⅲ型应力强度因子占Ⅰ型应力强度因子K的20%~30%。【结论】实桥中轮载偏离焊缝正上方时,疲劳裂纹易从顶板焊根和顶板焊趾处萌生且沿顶板厚度方向扩展,以Ⅰ型裂纹为主;当轮载位于焊缝正上方时,疲劳裂纹易从顶板焊根和U裂焊趾处萌生并大致垂直U肋腹板扩展,属于Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹,且扩展速率较快。

钢桥面板顶板贯穿裂纹长度涡流检测及其影响因素

针对正交异性钢桥面板顶板贯穿型疲劳裂纹隐蔽性强、难以精确检测的问题,提出通过涡流检测方法对裂纹长度进行测量。首先,对试验获取的涡流检测信号进行分析,探究信号特征与裂纹长度之间的关系,据此拟合出裂纹长度的测量公式,并通过有限元模拟对其有效性进行验证;其次,研究线圈参数与扫查速度对检测效果的影响;最后,通过有限元模拟分析了水平裂纹相邻顶点间距、裂纹与线圈中心的偏移距离、裂纹与线圈扫查方向的夹角对检测结果的影响。结果表明:增加圆柱形线圈外径与内径之比并适当减小线圈内阻可提高检测灵敏度;裂纹长度的测量值随着线圈扫查速度的增大而减小;水平裂纹相邻顶点间距越大,越利于精确测量裂纹长度;随着裂纹与线圈中心偏移距离的增加,检测信号的变化幅值逐渐减小,裂纹长度测量值也随之下降;此外,线圈扫查方向与裂纹长度方向的夹角越大,越不利于检测。该钢桥面板疲劳裂纹长度涡流检测方法可实现高效、便捷、精准的无接触式检测,为钢桥的运营维护提供相关技术参考。

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。

带波形钢板的UHPC免模板湿接缝抗弯模型试验研究

针对预制装配式桥梁中桥面板湿接缝处的受力特点和现有接缝构造形式,提出一种以预埋波形钢板为底模的超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)免模板湿接缝构造形式,解决接缝现场支模问题。为研究新型接缝的力学性能,设计了5片试验梁,以钢纤维含量为试验参数,开展四点弯曲全过程抗弯性能试验。结果表明:各试验梁主裂缝均位于预制段,发生弯曲破坏,接缝段未产生较大破坏;提高钢纤维含量可以增强UHPC-NC(Normal Concrete)界面黏结,提升接缝的抗裂性能,但对结构的抗弯承载力影响较小;钢纤维含量为1.0%的免模板接缝梁抗裂性能仅次于UHPC整体梁,同时具有结构简单、施工简化、造价经济等优点,说明该接缝构造形式运用于实际工程中是可行和可靠的;UHPC钢纤维含量建议取1.0%。

正交异性钢桥面板横梁切口裂纹的Lamb波监测分析

为探究钢桥面板横梁切口裂纹的Lamb波技术监测效果,设计了2个钢桥面板足尺模型,通过循环加载使其横梁切口处发生疲劳开裂,利用Lamb波监测裂纹扩展情况,进而从波信号中提取标准化特征,用于评估裂纹扩展.建立并验证了钢桥面板有限元模型,进行了裂纹长度、传感器位置等各种参数分析,以确定最佳传感器布置.试验结果表明:当裂纹扩展长度与波传播路径垂直时,标准化特征增大;当两者路径平行时,标准化特征减小.参数化分析结果确定了切口处裂纹监测的最佳传感器位置,建议在选定横梁切口区域,预先布置1个激励器和4个接收器,激励器位于距切口50 mm处,接收器位于距离切口50 mm处或距顶板50~100 mm处.

钢箱梁顶板-U肋疲劳裂纹钢板加固参数与效果分析

为研究钢板加固钢箱梁顶板-U肋疲劳裂纹的具体加固参数与加固效果,以加固件长度与厚度、是否设置加劲肋为变化参数,建立局部有限元分析模型,通过分析顶板-U肋焊趾处应力,评估受损构件的钢板加固效果,并提取裂纹尖端应力强度因子,研究不同参数对于加固效果的影响规律。结果表明:采用钢板加固顶板-U肋焊缝细节,可使模型中焊趾应力峰值降低约40%;胶层破坏时通常从顶板处开始破坏,现场加固时应确保顶板处胶层粘贴紧固;当钢板长度大于裂纹长度时,钢板长度对裂纹尖端应力水平影响较小,加固时保证钢板能够完全覆盖裂纹即可;当钢板板厚达母材板厚的1/2时加固效果趋于稳定,实桥加固时可取板厚为母材板厚的一半;与未加固裂纹相比,采用带加劲肋钢板可将裂纹尖端应力强度因子降低约50%,建议在加固时采用带加劲肋钢板,进一步提升加固效果。

钢桥面横隔板弧形切口维修加固与寿命评估

正交异性钢桥面板弧形切口在使用中经常发生开裂,不合理的弧形切口设计导致的应力集中是产生疲劳开裂的主要原因。热切割改进弧形切口能有效地降低横隔板所受车载应力,但过程中会产生高水平的残余应力影响疲劳寿命。为此,提出了热维护+冷维护的疲劳维护方案,以热切割优化改进切口,并在纵肋与横隔板连接处粘贴钢板加固。采用ABAQUS软件建立钢箱梁节段模型计算维护前后车载应力,开展热切割残余应力测试试验,并通过数值模拟分析热切割弧形切口切向残余应力分布规律,基于钢材的本构模型对车载应力与热切割残余应力进行耦合,结合实测交通数据、采用线疲劳累计损伤理论计算了考虑热切割残余应力影响的弧形切口疲劳寿命,并对比分析了不同维护方案的效果。结果表明:采用热切割改进弧形切口后可明显改善应力集中问题,车辆荷载作用下的压应力峰值降低50%;但改进弧形切口会产生高水平的残余应力,显著影响其疲劳性能,疲劳寿命仅为67.75年,低于桥梁设计使用寿命;在改进切口上粘贴钢板进行冷维护,可进一步减小弧形切口的车载应力峰值,双面粘贴10mm钢板应力峰值降低79%,并显著增加其疲劳寿命;当采用相同厚度的补强钢板时,单面粘贴的疲劳维护效果优于双面粘贴。本文提出的热维护+冷维护方案可以降低热切割残余应力的影响,获得更优的疲劳维护效果,为钢桥面板弧形切口疲劳维护提供了新的技术选择。

大面积混凝土钢筋桁架楼承板裂缝控制技术

钢筋桁架楼承板是钢筋桁架与底板通过电阻点焊连接成整体的组合承重板。钢筋桁架是以钢筋为上弦、下弦及腹杆,通过电阻点焊连接而成的桁架;底板采用镀锌钢板点焊于钢筋桁架下边,作为模板用。现场拼装钢筋桁架楼承板,采用栓钉固定于钢结构梁上,浇筑混凝土形成结构楼板,为了控制钢筋桁架楼承混凝土板开裂,论文通过分析施工过程裂缝控制技术措施,以期对钢筋桁架楼承混凝土板裂缝控制提供参考。

钢梁现浇混凝土钢筋桁架楼承板施工技术研究

结合新疆宝能城二期二标段公寓、酒店、商业主体工程实际,对钢筋桁架楼承板施工技术进行总结。通过施工技术创新有效提高楼承板起吊、安装、混凝土浇筑的施工质量及施工效率。该技术方案具有良好的经济、技术及社会效益,可广泛推广至类似工程中应用。

考虑残余应力的钢桥面板-肋双面焊裂纹应力强度因子计算方法

建立焊接分析有限元模型,对顶板-纵肋双面焊构造的焊接过程进行数值模拟,拟合得到顶板焊趾细节沿板厚方向分布的横向残余应力分布经验公式;建立钢桥面板断裂力学数值模型,结合统一的权函数表达式,推导适用于顶板焊趾处裂纹最深点和表面点应力强度因子的新权函数,并将权函数计算的应力强度因子与有限元计算的应力强度因子进行对比。研究结果表明:顶板-纵肋双面焊顶板焊趾处残余应力沿板厚方向处于拉—压—拉状态,呈正弦函数分布;在二次应力分布下,权函数法与有限元法计算所得顶板焊趾处裂纹最深点应力强度因子最大相对误差为7.4%,表面点应力强度因子最大相对误差为4.1%;在焊接残余应力场下,权函数法与有限元法计算所得顶板焊趾处裂纹最深点应力强度因子最大相对误差为7.6%,表面点应力强度因子最大相对误差为8.6%;权函数法能有效计算钢桥面板-肋双面焊顶板焊趾处疲劳裂纹应力强度因子。