Effect of rare earth content on microstructure and corrosion resistance of hot-dip Zn-5Al alloy coated steel wire for bridge cables

The effects of the content of rare earth elements on the microstructure and properties of hot-dip Zn-5 Al alloy steel wire for bridge cables were investigated.The microstructure of the hot-dip coating was analyzed using an optical microscope and a scanning electron microscope equipped with an energy-dispersive spectrometer.The bonding force between the hot-dip coating and steel wire was determined by the winding test.The corrosion resistance of the steel wire hot-dip coating was tested by the electrochemical workstation.The hot-dip Zn-5A1 alloy coating has a corrosion-resistant structure composed of a zinc-rich phase and an aluminum-rich phase.Due to the enhanced bonding force,the micro structure of the hot-dip coating of the Zn-5A1 alloy with rare earth elements is more compact and uniform than that without rare earth elements.The addition of rare earth elements improves the corrosion resistance of Zn-5A1 alloy coated steel wire.Due to the rare earth segregation,which prevents the corrosion of the grain boundary and enhances the anti-intergranular corrosion performance,steel wire exhibits the optimum corrosion resistance when the content of rare earth elements is 0.08 wt.%.

基于GA-LSTM的桥梁缆索腐蚀钢丝力学性能预测模型

为了精准捕捉桥梁缆索腐蚀钢丝的时变规律并预测其力学性能,开发了一种基于遗传算法(genetic algorithm, GA)优化的长短期记忆(long short-term memory, LSTM)神经网络模型。该模型利用GA依次优化LSTM模型的迭代次数、隐藏层层数、神经元数量、窗口大小4个超参数,以预测不同腐蚀特征状态下钢丝的力学性能。将其与传统LSTM和GA-反向传播模型的预测结果进行比较。结果表明,GA-LSTM模型具有更高的预测精度和鲁棒性。在屈服强度与极限强度预测效果方面,均方根误差(root mean square error, RMSE)、平均绝对误差(mean absolute error, MAE)、决定系数分别提高约44%~61%、43%~57%、35%~92%。在屈服应变与极限应变预测效果方面,RMSE、MAE、决定系数分别提高约0~46%、7%~49%、12%~229%。所建立的模型可以作为一个有用的工具支持桥梁缆索腐蚀安全性评估工作。

纳晴高速牂牁江特大桥总体设计与关键技术

纳晴高速牂牁江特大桥主桥为跨径1080 m的单跨钢桁梁悬索桥。主桥采用纵向低阻尼指数黏滞阻尼器+横向弹性抗风支座+跨中柔性中央扣+边缆限位拉索+竖向塔连杆的多重约束体系。加劲梁采用板桁结合结构形式,由钢桁梁和正交异性钢桥面板组成。桥塔采用门式框架混凝土塔,桥塔基础为超大直径3.8 m的端承桩+分离式承台。主缆采用标准抗拉强度1960 MPa的高强度镀锌铝稀土合金钢丝,跨度布置为(265+1080+435)m。吊索、柔性中央扣及限位拉索采用1960 MPa级镀锌铝稀土合金密封钢丝绳,索体外层由3层Z形异形钢丝环环扣合形成全密封结构,极大提高了缆索系统的耐久和抗疲劳性能。边缆设置限位拉索,有效限制了活载作用下边缆的竖向位移。该桥纳雍岸采用山区岩石地基复合型重力式锚碇,通过合理利用齿坎和岩石夹持效应,锚体工程量节省近20%。悬索桥加劲梁采用陡峻峡谷无起吊平台方案架设,有效解决了山区大跨悬索桥加劲梁吊装场地受限的难题。

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。

深中大桥东锚碇筑岛围堰基于淤泥强度动态增长的设计方法

深中通道深中大桥为主跨1 666 m的三跨钢箱梁悬索桥,其东锚碇为海中重力式锚碇,采用筑岛围堰方案施工。原筑岛围堰方案采用静态设计方法设计,采用“锁口钢管桩+工字型板桩+钢箱围箍”的组合式筑岛围堰方案。针对原方案存在的材料利用率低、结构设计尺寸偏大、结构之间受力不协调等缺点,在分析淤泥强度增长规律的基础上,提出基于淤泥强度动态增长的筑岛围堰设计方法(动态设计方法)。该方法首先确定不同施工阶段围堰支撑处土体弹簧刚度和平行钢丝索围箍等效弹性支撑刚度,然后利用响应面法建立各施工阶段自变量参数(钢管桩壁厚、钢管桩直径、围箍数量)与控制指标(钢管桩最大应力、桩顶最大位移、围箍最大应力)之间的映射关系;最后利用改进粒子群算法进行围堰结构设计参数优化。采用该动态设计方法进行设计,确定采用锁口钢管桩(直径2 000 mm、壁厚18 mm)+工字型板桩+平行钢丝索(7根,单根为184股?5 mm钢丝)柔性组合式筑岛围堰方案。采用有限元法计算静、动态设计方法下钢管桩最大应力,并与现场实测值比较。结果表明:动态设计方法下,围堰结构受力更合理,各构件应力水平更协调。

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。

拉索高强钢丝疲劳寿命与疲劳裂纹萌生机理

高强钢丝作为桥梁拉索的核心受力构件,极易受到疲劳荷载和表面腐蚀的损伤,影响拉索的正常使用。本文通过研究影响高强钢丝疲劳寿命S‑N曲线的主要因素,给出拉索与高强钢丝的S‑N曲线和疲劳强度极限,并采用FORTRAN编写可记录疲劳累积损伤量的代码,内置于有限元软件的用户子程序中进行模拟分析,探究高强钢丝的疲劳裂纹萌生与扩展过程及疲劳寿命。结果表明:高强钢丝的疲劳寿命受应力范围和强度等级的影响程度较大,其余参数的影响效果相对较小;高强钢丝的裂纹萌生寿命约占总寿命的85%~97%,裂纹萌生寿命占比随着应力范围的增大而减小,且在高应力范围作用下裂纹扩展速度显著加快,裂纹扩展寿命占比随之减小。

平行钢丝斜拉索更换施工新索无应力长度确定方法研究

为准确确定平行钢丝斜拉索更换施工新索无应力长度,基于悬链线法和无应力状态法,并结合斜拉索索力、锚点间距、斜拉索原始加工长度和实际锚固位置等数据,综合提出5种针对不同数据场景下的平行钢丝斜拉索新索无应力长度快速计算方法。以攀枝花炳草岗大桥为背景,采用5种方法计算该桥新索无应力长度,分析其合理性,并进一步提出6项新索无应力长度复核计算准则。结果表明:在充分研判炳草岗大桥基础资料并对照6项复核计算准则的合理性后,基于无应力状态法,并结合旧索加工总长和实测锚具伸出量,准确给出了新索无应力长度。该桥新索张拉锚固完成后,塔、梁端实际锚固位置合理、可控,成功解决了其基础资料混乱、斜拉索锚固位置不当的问题。

应力比对高强钢丝腐蚀疲劳寿命的影响研究

建立了高强钢丝腐蚀疲劳寿命模型,用于预测不同应力比和应力范围下的腐蚀疲劳寿命,研究应力比对腐蚀疲劳寿命的影响。利用应力比与应力范围之间的关系,处理了不同应力比和应力范围下高强钢丝腐蚀疲劳耦合试验数据。基于处理后的试验数据,对寿命模型进行参数估计,建立了高强钢丝腐蚀疲劳寿命模型,研究了不同应力比下腐蚀疲劳寿命的演化规律。结果表明:高强钢丝腐蚀疲劳寿命模型的预测值与试验数据吻合较好。该模型对高应力范围的腐蚀疲劳寿命预测值小于试验数据,对低应力范围的腐蚀疲劳寿命预测值大于试验数据。随着应力比的增大,高强钢丝的S-N曲线逐渐左移,而且斜率的绝对值逐渐变小。高强钢丝的腐蚀疲劳寿命随应力比的增大而减小。当应力比较大时,应力范围对腐蚀疲劳寿命的影响减小。应力比对低应力范围下的腐蚀疲劳寿命影响更显著。

拉伸-弯曲组合作用下高强钢丝受力行为研究

为研究拉伸-弯曲组合作用下高强钢丝的受力行为,开展了拉伸-弯曲组合作用下高强钢丝的应力测试试验,测试了高强钢丝在不同轴向荷载和弯曲角度下的应力值。建立了拉伸-弯曲组合作用下高强钢丝的有限元模型,分析了高强钢丝的应力分布情况,模拟结果与试验结果吻合较好,验证了数值模型的准确性和合理性。基于该有限元模型,进一步研究了高强钢丝表面和截面内的应力分布情况,以及弯曲作用对应力范围的影响。结果表明,存在弯曲角度时,高强钢丝的应力分布会变得不均匀。相同轴向荷载时,高强钢丝应力值和应力范围都随弯曲角度的增加而增大。拉伸-弯曲组合作用会显著影响高强钢丝中部和两端区域的应力变化,使得这些区域内应力沿轴向和径向都存在较大的应力梯度,拉伸-弯曲组合作用效果在这些区域内应重点考虑。

考虑材料性能退化的大跨径悬索桥主缆时变可靠度分析

钢丝腐蚀是影响大跨径悬索桥主缆力学性能的主要因素之一。为研究大跨径悬索桥在考虑主缆钢丝腐蚀下的结构可靠度退化规律,提出了一种考虑材料性能退化的主缆时变可靠度评估方法。首先推导分析了钢丝受到的主要腐蚀类型与其腐蚀机理,建立了考虑钢丝腐蚀下的材料本构模型。其次根据可靠度理论建立了考虑主缆钢丝腐蚀的结构功能函数,并以年平均抗力损失率为指标衡量主梁的腐蚀水平。最后采用BP神经网络拟合了悬索桥结构响应面,结合Monte Carlo抽样模拟法设计了不同腐蚀程度下的主缆时变可靠度计算方法,以某大跨径悬索桥为工程背景,探讨了不同腐蚀程度与材料分项系数下的主缆时变可靠度退化规律。结果表明:BP神经网络可以精准拟合悬索桥随机变量与结构响应之间的映射关系,10个验证集样本的平均相对误差仅为1.47%;以年平均抗力损失率为标准,当钢丝腐蚀速率越快时,其服役期内的可靠度指标退化越快,且该速率随着服役年限的增加而增加;材料分项系数取值越大时,相同腐蚀水平下的主缆结构可靠度指标更高,当考虑主缆钢丝腐蚀引起的材料性能退化时,设计材料分项系数宜取偏大值。

沪通长江大桥总体设计

沪通长江大桥位于长江下游,通行4线铁路和6车道高速公路。桥位处江面宽约5.8km,大桥需要跨越南侧的长江主航道、北侧的专用航道和中间的横港沙(浅洲)。主航道桥采用主跨1 092m的钢桁梁斜拉桥;专用航道桥采用主跨336m的钢桁拱桥;跨南、北岸大堤及横港沙区段采用跨度112m的简支钢桁梁桥。主航道桥6个桥墩采用沉井基础,其余各墩均采用钻孔桩基础;主梁使用新研发的Q500qE高强度桥梁钢;斜拉索采用极限强度2 000MPa的平行钢丝斜拉索。

大吨位小半径环向预应力在斜拉桥索塔锚固区中的应用研究

目前我国大跨径斜拉桥索塔锚固区开始采用大吨位小半径环向预应力体系 ,该体系突破了现行《公路桥涵设计规范》的规定。

张力对斜拉桥拉索镀锌钢绞线腐蚀行为影响

应用伏安极化法和中性盐雾腐蚀试验研究了张力作用下斜拉桥拉索镀锌钢绞线在5%NaCl溶液中腐蚀行为.腐蚀产物理化性质由XRD、TG-DTA等测试表征.结果表明,镀锌钢绞线的腐蚀电流,即腐蚀速率随试验前施加的张力增加而增大,其产生白锈的盐雾试验周期小于1,经15-22 kN张力作用后的镀锌钢绞线,产生红锈的盐雾试验周期为16,而经0、10 kN张力作用的钢绞线,产生红锈的周期则延长至23,钢绞线腐蚀产物主要是Zn5Cl2（OH）8.H2O、Zn4（CO3）（OH）6.H2O和ZnO.

基于临界域法的桥梁钢丝腐蚀疲劳寿命

为评估桥梁钢丝服役期间的腐蚀疲劳性能,采用临界域法,根据钢丝腐蚀坑局部应力梯度求解临界距离.采用精细有限元法,建立了钢丝腐蚀疲劳寿命预测模型;通过圆形、三角形和含切口的三角形3种形状腐蚀坑钢丝的疲劳试验,获得了它们的疲劳寿命,并与疲劳寿命的预测结果进行比较.研究结果表明:轴向应力分布决定钢丝的疲劳强度;临界距离随应力集中效应增强而减小;腐蚀钢丝的剩余寿命可根据应力集中系数评估,应力集中系数大于3的腐蚀钢丝应考虑更换.

2000 MPa平行钢丝斜拉索在千米级公铁两用斜拉桥中的应用

沪通长江大桥主航道桥为主跨1092 m的公铁两用斜拉桥。设计过程中对平行钢丝斜拉索和钢绞线斜拉索在该桥上应用的可行性进行对比分析。由于采用高强度平行钢丝斜拉索,拉索断面更小、风载阻力小、钢丝应力均匀性好,同时有利于降低造价、减小结构横向变形、保证列车高速运行的平稳性和舒适性,因此,推荐采用高强度平行钢丝斜拉索。依托该桥对2000 MPa平行钢丝斜拉索进行了钢丝、锚具、护套及整索性能的专题研究,成功试制了斜拉索产品,最终实现了2000 MPa平行钢丝斜拉索在沪通长江大桥中的应用。

悬索桥主缆钢丝腐蚀速率的影响因素分析

影响钢丝腐蚀的众多因素,分为外界环境影响因素和钢丝自身状态两大类,详细阐述了湿度、温度、大气污染物以及钢丝拉力、初期损失、主缆弯曲等各影响因素已有的实验研究成果,深入分析了上述因素对钢丝腐蚀产生影响的机理及其对腐蚀速率的影响。在得到对钢丝腐蚀产生影响的重要因素基础上,提出了需综合考虑各因素间的相互作用的多钢丝组的腐蚀实验,以达到更贴切地模拟主缆实际腐蚀过程的目的。

湖北观音寺长江大桥主桥方案构思与总体设计

湖北观音寺长江大桥主桥为(350+1160+350)m混合式组合梁斜拉桥。该桥设计过程中对跨径布置、桥型方案、主梁方案、结构体系等进行系统研究。为最大限度地减少桥梁对长江航道、河道行洪等的影响,确定采用1160 m主跨一孔跨过可通航水域。综合考虑建设条件、结构性能、施工难度、安全风险、经济性等因素,最终选取斜拉桥方案。为降低结构自重、充分发挥材料性能、提高桥面耐久性,主梁采用边跨377 m混凝土箱梁+中跨两侧401 m钢-UHPC组合梁+中跨跨中304 m钢-UHPC轻型组合桥面钢箱组合梁的混合式组合梁。结构体系采用带纵向约束的弹性半飘浮体系。桥塔采用中、下塔柱混凝土结构+上塔柱钢壳组合结构A形塔,塔高262 m,基础采用直径3.2 m的钻孔灌注群桩基础。斜拉索采用标准抗拉强度2100 MPa的高强度锌铝合金镀层平行钢丝拉索,斜拉索与塔、梁端均采用钢锚箱锚固。辅助墩、过渡墩均采用空心截面双柱墩,下设分离式承台+群桩基础。

恒丰北路桥拉索试验研究

恒丰北路桥是国内建造最早的斜拉桥之一,其拉索防护采用了水泥砂浆、黑色PE两层防护体系,具有一定代表性。在对该桥进行换索后,利用换下的旧索进行了钢丝锈蚀分布检查、钢丝锈蚀性能分析以及拉索锈蚀性能分析,详述了试验的方法、步骤和试验结果,分析了这种防护体系的弊病以及拉索在腐蚀条件下的力学性能变化。

武汉杨泗港长江大桥主桥施工关键技术

武汉杨泗港长江大桥主桥为主跨1700 m的单跨双层钢桁梁悬索桥。该桥2个桥塔均采用沉井基础,沉井下部为钢壳混凝土结构,上部为钢筋混凝土结构;锚碇采用外径98 m、壁厚1.5 m的圆形地下连续墙基础;桥塔为钢筋混凝土门式结构,1号和2号塔高分别为231.9 m和243.9 m,采用C60高性能混凝土浇筑;主缆采用直径6.2 mm、标准抗拉强度1960 MPa的锌铝合金镀层高强钢丝;加劲梁采用华伦式桁架全焊接结构。在该桥施工中,沉井隔舱区域硬塑黏土层采用搅吸机+高压射水取土的工艺施工,刃脚盲区采用爆破+斜向弯头吸泥机取土的工艺施工;地下连续墙采用液压成槽机和双轮铣槽机进行槽段成槽施工,内衬及填芯混凝土采用逆作法施工;桥塔采用液压爬模施工,通过优化混凝土配合比、选择高压输送泵将C60混凝土一泵到顶;主缆钢丝为国产新材料,按4个阶段组织生产;主缆采用索股混编,PPWS法架设,利用双线往复式牵引系统进行索股牵引;加劲梁采用整体节段制造、吊装技术施工,钢梁节段采用缆载吊机从跨中向桥塔方向逐段吊装。