Numerical simulation of plate rigid restraint cracking tests based on cohesive element model

Cohesive element is developed from the Dugdal-Barenblatt model in the field of fracture mechanics. The mechanical constitutive relation of cohesive element can be artificially assumed depending on the specific applications. It has been successfully applied in the study of crystal plasticity/brittle fracture process and decohesion between delaminations. In this paper, tensile experiments of large steel plate with different length of pre-existing cracks are conducted. Based on commercial software ABAQUS, cohesive element is adopted to simulate the tensile tests, and appropriate parameter values are obtained by fitting displacement-force curves. Using these parameters, a numerical method is presented by applying cohesive element to thermo-elastic-plastic finite element method （TEP-FEM） to simulate plate rigid restraint cracking （PRRC） tests. By changing constitutive relation of cohesive element, dimensions of the model and welding conditions, the influence of welding restraint intensity and welding conditions on the crack propagation are discussed, respectively. Three types of welding cold cracking are simulated. Significant influence of welding cold cracking on resistant stress in welding line is captured by this numerical method.

某桥主梁开裂后荷载试验评估与维修

根据实桥荷载试验检测数据,基于刚度退化有限元模型,研究不同损伤程度对先简支后连续预应力小箱梁开裂对刚度的影响。借助刚度退化模型分析病害跨主梁开裂和承载力下降主要原因,对承载力进行评估。针对性提出主动压重、水泥基渗透结晶材料修复裂缝及预应力管道注浆重黏结等综合技术维修措施。主梁加固后长期通行设计荷载,多年定期监测观察无裂缝发展和其他异常,主梁耐久性和承载力恢复,维修处理方法对类似工程维修处置有参考意义。

齿轮裂纹检测的动态响应与时频分析

齿轮的啮合刚度随时间变化,齿产生裂纹后,齿轮啮合刚度将减小。本文针对单级直齿圆柱齿轮模型分别在齿轮正常和故障情况下推导该模型的频响函数(FRF),并进行动态仿真,得到了该模型的时间信号响应,应用振动分析和信号处理技术实现早期阶段的齿轮齿故障检测。

刚性对接裂纹试件和VRC试件拘束度有限元模拟

采用有限元方法研究了试件尺寸对刚性对接裂纹试件和可变拘束裂纹试件拘束度的影响规律.结果表明,两种试件的拘束度均随着厚度的增加而增大,随着厚度由20 mm增加至50 mm,刚性对接裂纹试件中心拘束度由14.87 kN/(mm·mm)增加至20.72 kN/(mm·mm),可变拘束裂纹试件中心拘束度由10.46 kN/(mm·mm)增加至16.23 kN/(mm·mm);对于40 mm厚的刚性对接裂纹试件,其拘束试件宽度由125 mm增加至275 mm时,试件的拘束度下降,但拘束试件宽度继续增加,试件的拘束度不再发生显著变化;对于40 mm厚可变拘束裂纹试件,随着拘束试件宽度由125 mm增加至575 mm,其拘束度呈连续下降趋势.

基于MMLS3设备的土工布防治反射裂缝效果研究

应用MMLS3设备对1/3比例路面结构模型进行加速加载试验,模拟车辆荷载造成的弯拉-剪切复合作用,并进行应变和裂缝扩展情况的跟踪监测,研究在面层和基层层间铺设土工布防治反射裂缝的效果.结果表明:有布组在面层初裂和裂缝贯穿时所对应的加载次数分别为无布组的3.55倍和3.25倍.初裂前,土工布由于削弱层间黏结,使面层层底总应变和弹性应变大于无布组,但可通过提高与沥青层结合后的复合断裂能延缓面层开裂;初裂后,土工布逐渐拉伸而承受更大拉伸力,协助面层抵抗弯拉和剪切作用,使得有布组总应变、弹性应变逐渐减小;贯穿后,土工布仍可保持裂缝两侧结构的联结,抑制裂缝加宽和结构错动,使得总应变和弹性应变稳定在180×10-6和9×10-6,而无布组由于裂缝继续加宽,总应变和弹性应变超过600×10-6和8×10-6并持续增长.

高强钢焊接冷裂纹倾向试验装置开发及试验研究

根据刚性拘束裂纹试验机理,自主研制了国内首台大吨位高强钢刚性拘束焊接冷裂纹倾向试验装置,其具有精准的测量系统,完全适应48 h的拘束应力维持时间,该机可提供最大1 200 k N的试验力。利用该冷裂试验装置进行E36钢板对接接头刚性拘束裂纹试验,对比分析GFL-71NI焊丝(国产)和DW-A55L焊丝(进口)的冷裂纹敏感性。结果表明,通过药芯焊丝气体保护焊接方法施焊,采用GFL-71NI焊丝获得接头的临界拘束距离大于DW-A55L焊丝接头,经计算GFL-71NI焊丝接头的临界拘束度和临界拘束应力均小于DW-A55L焊丝接头,最终得到GFL-71NI焊丝接头的冷裂敏感系数高于DW-A55L焊丝接头,数值分别为0.345 147和0.326 094,表明DW-A55L焊丝的抗冷裂性能优于GFL-71NI焊丝。金相分析显示,与GFL-71NI焊丝接头相比,DW-A55L焊丝接头焊缝组织更均匀,晶界铁素体含量明显减少;过热区组织中的淬硬组织含量也较少,这显著降低了DW-A55L焊丝接头的冷裂倾向。

基于室内结构试验的半刚性基层开裂数值仿真

为获得半刚性基层沥青路面结构的力学参数并分析其变化规律,设计并修建了大尺度半刚性基层沥青路面结构室内试槽,采用逐级加载方法进行结构内部应力、应变和模量的分层检测与试验.在试验数据的基础上,建立道路三维有限元模型,验证模型正确后进行了承载板数值仿真试验,分析了超载引起的半刚性基层开裂位置、起裂荷载、裂缝状态、应力强度因子和裂缝类型等问题.结果表明:当交通荷载超过起裂荷载时基层裂缝开始出现,沿路面横向基层层底靠近承载板中轴线位置的单元首先开裂,裂缝在行车荷载作用下进一步向上扩展而形成基层横向裂缝;半刚性基层荷载型开裂主要以I型张开型裂缝为主,应力强度因子大小取决于施加的荷载大小、裂缝长度和模型几何尺寸,应重点从合理设计基层厚度、改进基层材料性能和严格控制超载几个方面减少半刚性基层裂缝的产生.

预加力对开裂预应力混凝土梁体刚度效应的影响分析

为了研究预加力对预应力混凝土梁桥开裂梁体刚度效应的影响,以公路桥梁中常用的预应力混凝土小箱梁和T梁为研究对象,基于设计规范中开裂预应力混凝土受弯构件刚度计算原理,采用统计分析、室内试验梁和实桥试验相结合方法,分析开裂预应力混凝土梁受拉区预压应力与梁体短期抗弯刚度的关系。结果表明:小箱梁和T梁受拉区混凝土开裂后,随预加力在受拉区混凝土所产生预压应力的增大,开裂梁体短期抗弯刚度提高;对于开裂预应力混凝土梁桥,采用增设体外预应力钢束的加固方法进行加固,可以有效地提高梁体短期抗弯刚度,较好地抑制梁体受力裂缝的发展。

鹤大高速红岭高架桥病害分析及加固设计研究

鹤大高速红岭高架桥为5跨预应力混凝土连续刚构箱梁桥,经过多年运营,检测发现该桥右幅出现了主梁跨中下挠、腹板斜裂缝、顶板纵向裂缝等病害。为了解病害原因及结构受力状态,对病害原因进行分析,并进行荷载试验,在此基础上进行维修加固设计研究。结果表明:弯剪作用引起腹板斜向开裂,横向弯矩过大引起顶板开裂,预应力径向作用过大造成底板开裂。该桥上部结构校验系数大部分大于或接近于1.0,正截面抗拉强度不满足设计荷载要求;采取顶板加厚、腹板加厚、底板增设横梁以及张拉体外预应力加固设计。数值模拟分析显示加固后箱梁顶、底板最大压应力有效降低,安全储备增加,主应力得到明显改善。加固后第3跨L/4、L/2、3L/4截面分别上挠14.34,0.34,12.61 mm,结构受力满足现行规范要求。

贫沥青碎石缓解层抗裂效果与路用性能研究

采用新型材料贫沥青碎石(LAG)作为缓解层以有效解决半刚性基层路面易产生反射裂缝的问题.为研究其抗裂效果,通过模拟实际道路中车轮作用,开发出一种简单易行的抗裂性能试验方法.以开裂寿命、断裂寿命和裂缝发展速率作为抗反射裂缝能力评价指标,分析不同沥青用量的贫沥青碎石和其他3种不同抗裂材料的抗裂效果,进一步选取抗变形、渗水性能和抗冲刷能力进行路用性能验证.结果表明:材料开裂后,在开裂和断裂寿命基础上采用裂缝发展速率评价抗裂效果更直观合理;贫沥青碎石在最佳沥青用量下抗反射裂缝能力最优,6种材料抗裂效果依次为LAG2>LAG3>LAG1>ATB-25>ATPB-25>AC-25;贫沥青碎石各项路用性能指标均符合要求,可作为半刚性路面缓解层来延长道路使用寿命.

半刚性基层沥青路面的研究

本文根据交通部下达的科技重点项目“半刚性基层沥青路面的研究”任务,通过系统的试验路结合室内材料物理力学试验和三维光弹性试验等研究工作,对半刚性基层材料缩裂、沥青面层低温缩裂、反射性裂缝的形成条件和车辙的理论计算等问题,进行了检验和分析,提出技术措施和合理路面结构的建议。

半刚性基层设计参数确定方法的研究

在确定半刚性基层设计参数时,通常是根据规范规定的范围来选取,而忽略了不同地区材料差异的影响,造成路面结构设计结果与路面结构的实际状况有较大的差异。利用BISAR程序,分析了半刚性基层设计参数选取的差异对路表弯沉和半刚性基层层底最大拉应力的影响,并通过室内试验推荐了济南地区常用半刚性基层材料的设计参数指标。

结构参数对大尺寸刚性试板抗裂性试验拘束度影响的数值分析

采用有限元数值计算方法,分析了大尺寸刚性试板抗裂性试验中试验钢板厚度、加强筋厚度和拘束焊缝跨距对拘束度的影响。结果表明,随试验钢板厚度和加强筋厚度增大,拘束度呈近似正比例线性增大,其比例系数的绝对值分别为120(N/mm·mm)/mm和18(N/mm·mm)/mm;随拘束焊缝跨距增大,拘束度呈近似反比例线性减小,其比例系数的绝对值为7(N/mm·mm)/mm。

PC连续刚构桥梁底合理曲线线形研究

针对PC连续刚构桥梁底长束的张拉导致合龙段箱梁底板和腹板开裂问题,以黑崖沟2号桥为背景工程,探讨了采用不同次数梁底曲线对箱梁局部应力状态的影响。在此基础上,揭示了箱梁易于开裂的危险部位,分析了导致开裂的主要原因,提出PC连续刚构桥梁底曲线次数不低于1.6次的建议。同时,结合实际工程,通过对三种防裂设计方案的理论研究与实桥测试结果的比对发现,采用跨中设置实体隔板的设计方案,可有效地解决合龙段箱梁底板下缘和腹板内侧的开裂问题。

刚性铺面的平衡刚度设计理念与原型结构

针对传统刚性铺面结构在设计年限内板边、角易开裂的问题,基于美国国家机场铺面测试中心的CC1和CC2试验段的测试结果,结合Westergaard的理论解,提出了结构刚度概念与刚性铺面结构平衡刚度设计理念,即增加铺面板边、角的结构刚度,使整个铺面板在板边、板角和板中3个荷位处的结构刚度处于平衡状态。随后,通过CC6足尺加速加载试验,验证了基于平衡刚度设计理念的铺面结构可以有效缓解和预防板边、角裂缝的产生,并且设有刚性基层的等厚度面层板可以达到同样的效果。最终,结合平衡刚度设计理念及试验结果,提出了平衡刚度刚性铺面结构的一般形式,同时考虑工程应用设计了一种基于平衡刚度设计的刚性铺面的原型结构。研究成果可为刚性铺面结构的平衡刚度设计提供理论基础。

半刚性基层沥青路面抗裂性能测试系统研发

为更加精确地评价半刚性基层沥青路面的抗裂性能,系统分析了沥青路面开裂机理,依此设计抗裂测试系统的功能设计,明确其具体构造要求,并对其框架及细部进行了详细设计,基于层底应力敏感性分析确定测试的控制模式及参数范围,依据仪器的工作原理、检验指标,进行了温控系统、横向拉伸系统、竖向剪切系统设计,提出了横纵向疲劳次数作为设计参数,并开发与仪器匹配的计算机辅助分析软件并进行测试;测试系统为半刚性沥青路面的抗裂性能的评价提供了技术支撑。

EH36钢药芯焊丝电弧焊接接头冲击及抗冷裂性能研究

为了研究EH36钢在海洋工程结构件中的冷裂现象,采用刚性拘束焊接冷裂试验装置制备了GFL-71Ni和DW-A55L药芯焊丝电弧焊(FCAW-G)焊接接头,并对其进行扩散氢含量测试、焊缝化学成分分析以及冲击性能试验。试验结果显示,DW-A55L焊丝接头的扩散氢含量低于GFL-71Ni焊丝接头;两种焊丝接头焊缝的冲击功分别为19.7 J和20.5 J,均比熔合线+1 mm处的冲击功低;GFL-71Ni焊丝接头熔合线+1 mm处的冲击功比DW-A55L焊丝稍高,二者的冲击功分别为(36.4±1.6)J和(31.9±3.4)J。研究表明,两种焊丝焊接接头均具有良好的抗冷裂性能,且DW-A55L焊丝接头的抗冷裂性能优于GFL-71Ni焊丝。

半刚性基层裂缝发展机理分析与温缩性能研究

半刚性基层路面是国内各等级公路广泛采用的路面结构形式,而半刚性基层裂缝问题一直是研究的重点和难点,文章通过对半刚性基层裂缝发展机理分析,重点研究水泥稳定碎石混合料温缩性能的影响因素,利用正交试验法开展温缩试验,提出混合料最大温缩应变的合理组合,分析计算水泥稳定碎石温缩系数的变化规律,为有效控制半刚性基层裂缝提供参考。

长门特大桥主桥塔梁墩固结区模型试验研究

长门特大桥主桥为主跨550m的双塔双索面混合梁斜拉桥,采用塔梁墩固结体系。为分析该桥塔梁墩固结区的受力特性,设计制作缩尺比1∶5的塔梁墩固结区模型进行试验,研究塔梁墩固结区在使用阶段的应力、位移和抗裂安全性。结果表明:在设计荷载作用下,塔梁墩固结区各关键截面应力均满足规范要求,混凝土主梁和下横梁的竖向位移较小,结构安全且具有足够的抗弯和抗剪刚度;试验测得的固结区主梁混凝土开裂弯矩远大于设计荷载作用下最大弯矩,混凝土主梁具有较大的抗裂安全性和安全储备。

ISAC防治半刚性基层反射裂缝的力学分析及试验

通过力学分析与室内试验研究了各种夹层用于半刚性基层反射裂缝的防裂情况,结果表明ISAC复合夹层有着较好的防裂效果。采取复合夹层下面的基层埋设位移计和测缝计,上面的沥青混合料面层埋设应变计的方法对试验路段复合夹层的防裂情况进行了测试。振弦式测缝计的试验测定结果的线性关系稳定.能较好地反映路面基层预切缝在温度变化情况下的实际缝隙变化规律。铺设聚酯玻纤布ISAC复合夹层的预切缝2和采用玻纤格栅作为上层应变吸收层的预切缝4的测试结果表明,两者具有基本一致的缝隙张开量变化规律。两者都有着较好的抗裂效果。在较高温度下。采用玻纤格栅ISAC复合夹层的防裂效果优于聚酯玻纤布ISAC复合夹层。但低温情况下的防裂效果还有待于后续的测试。