大跨悬索桥塔梁纵向位移控制阻尼器病害分析

为研究沙坝对沿岸流不稳定运动特征的影响,本文以某跨长江悬索桥为工程背景,结合现场观测与监测数据分析了该桥纵向阻尼器的病害机制及治理措施。本文描述了阻尼器发生的螺栓断裂、销轴滑出和耳板折断等病害;结合桥塔与主梁连接处的横桥向与竖向实测相对位移分析了阻尼器病害的发生原因,并据此进行了改进设计与更换;根据桥梁健康监测系统记录的塔梁纵向相对位移,对比分析了阻尼器更换前后的工作性能。结果表明:该桥塔梁连接处横桥向和竖向相对位移最大可达25 mm和60 mm;塔梁间较大的相对位移使得纵向阻尼器的两侧耳板受力不均衡,进而导致阻尼器发生销轴滑出、耳板失效等病害;阻尼器改进包括构造措施和强度措施。

钢桥设计制造新技术

进入二十一世纪以来,我国钢桥建设在跟踪学习国外先进技术的同时,伴随工业化、信息化、智能化的时代发展脚步,走出了一条自主创新之路,特别是在大跨径桥梁、跨海桥梁建设中取得了举世瞩目的成就。我国钢结构桥梁的技术进步,主要体现在冶金材料、结构设计、制造安装等方面。首先,在冶金材料方面,桥梁结构钢的强度等级与韧性不断提高,在大跨重载桥梁中,500MPa或更高强度等级的桥梁钢已得到较多应用;焊接性能持续改善,板件厚度逐步提高;伴随桥梁耐候钢的研究深化,已由涂装、半涂装向免涂装的高性能耐候钢桥梁方向发展。

大跨径钢桥新技术

钢桥建造始于西方工业革命,十八世纪英国工匠达比(Abraham Darby)家族的焦煤炼铁技术和英格兰煤溪谷铁桥(Coalbrookdale iron bridge)的建成,是钢桥起源的标志性事件。1825年斯蒂芬森(George Stephenson)蒸汽机试车成功,催生了铁路运输方式和铁路桥梁大发展,十九世纪后期汽车运输方式开始在欧美普及,公路桥梁建设需求随之激增。

全吸力范围非饱和土水力渗透系数的计算

非饱和土水力渗透系数决定了水分在非饱和土体中迁移的速率,因此非饱和土水力渗透系数是研究水分在非饱和土中迁移规律的关键参数。一般情况,渗流数值计算软件将水力渗透系数方程作为输入参数,水力渗透系数方程的准确性直接影响渗流模拟结果的可靠性。常用的非饱和土水力渗透系数方程大多基于毛细水的相关理论,在低吸力区其计算结果与试验数据吻合度较高,但在高吸力区计算结果与试验数据差异显著。将全吸力范围分为毛细水渗流主导区、膜态水渗流主导区、气态水渗流主导区,并分析了不同形态的水分在非饱和土体中迁移规律的控制机理。全吸力范围的非饱和土水力渗透系数定义为表观渗透系数,其包含毛细水渗透系数、膜态水渗透系数和气态水渗透系数。通过剖析毛细水、薄膜水以及水蒸气在非饱和土体中迁移机理,推导不同形态水分渗透系数的数学表达,最终得出全吸力范围非饱和土的水力渗透系数计算方程。

负弯矩作用下UHPC湿接缝桥面板裂后性能研究

针对预制拼装桥面板接缝处受力复杂、易开裂等问题,提出了一种新型超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,UHPC)燕尾榫接缝.通过负弯矩作用下荷载模型试验,研究了不同接缝材料和预应力水平对UHPC湿接缝桥面板极限承载力、破坏形式及裂缝分布等的影响规律.基于试验验证的数值仿真模型,对比分析了不同接缝位置、接缝形式、纵筋率、材料强度及板件厚度等参数对湿接缝受弯性能的影响.研究结果表明:预应力由0 MPa提高到5 MPa,板件开裂应力和极限承载力分别提升40.0%和5.5%;燕尾榫接缝较直角榫接缝与平接缝的开裂应力分别提高7.5%和16.0%,承载力分别提高5.4%和16.0%.燕尾榫接缝整体性好,改变接缝位置对湿接缝受弯性能影响较小;板件开裂应力和极限承载力随材料强度增大而提高,材料强度超过120 MPa时增幅减小;UHPC接缝初裂刚度约为初始刚度的90%,剩余刚度约为初始刚度的25%;初裂后,结构刚度迅速下降,纵筋屈服后,结构刚度退化速度明显减缓,最终刚度保持在剩余刚度;提出了用极限荷载对应位移与开裂荷载对应位移之比为表达形式的UHPC湿接缝桥面板裂后延性系数,本文板件裂后延性系数为10.0~20.0,表明UHPC湿接缝桥面板具有较好的裂后变形能力.

考虑预应力提高效应的混凝土梁抗剪承载力

为研究预应力对混凝土梁抗剪承载力的影响,通过分析剪跨内中性轴处微元体应力和预应力对桁架模型倾角的影响,揭示了预应力水平分量对混凝土和箍筋抗剪贡献提高机理.基于试验数据,对主要影响因素进行无量纲分析和回归分析,提出了预应力对混凝土抗剪贡献提高系数的计算方法,叠加箍筋抗剪贡献和预应力竖向直接抗剪贡献,建立了预应力混凝土梁抗剪承载力理论计算公式.结果表明,所提公式形式简单,物理意义明确,可综合考虑抗剪承载力主要影响因素.利用414片预应力混凝土梁对公式进行验证,抗剪承载力试验值与计算值的比值均值为1.016,标准差为0.193,表明该公式可较好地预测预应力混凝土梁抗剪承载力.

高轴压比下预制桥墩承插式连接力学行为试验研究

为研究高轴压比下预制桥墩承插式连接的力学行为,通过轴压性能试验,研究连接的受力失效机制,明确影响连接轴压强度的关键设计参数,分析侧剪应力分布与极限值,提出承插式连接侧剪应力计算与墩柱承插深度设计方法。结果表明:采用墩柱表面粗糙化处理的承插式连接轴压强度满足桥墩设计荷载要求;承插式连接轴压强度随墩柱承插深度的增大而增大,且强度增量与承插深度增量呈近似线性关系;承插式连接有效承插深度为总承插深度的2/3,且在有效承插深度内,侧剪应力呈均布状态;随着墩柱表面粗糙度的增大,承插式连接的极限侧剪应力得到显著提升,但当墩柱表面粗糙程度达到6 mm以上时,极限侧剪应力不再提升;根据试验与理论分析结果,提出波纹型墩柱表面极限侧剪应力及满足轴向承载力要求的承插深度计算公式。

栓钉剪力连接件传力机理与有效受力长度研究

为研究栓钉剪力连接件受力机理及其在不同强度混凝土中的有效受力长度,进行不同长度栓钉剪力连接件推出试验和精细化有限元参数分析。基于精细化数值模型,分析栓钉及其周围混凝土受力机理,得到栓钉周围混凝土主应力迹线,揭示混凝土力流传递路径。研究结果表明:栓钉受力分为弹性和塑性两个阶段,混凝土强度不变时,栓钉长度变化对栓钉抗剪性能影响较小。基于应力分布规律,栓钉周围混凝土分为三个受力区域,即栓帽上方受压拔区、栓帽下方受拔区和栓钉根部下方受压区。栓钉有效受力长度随混凝土抗压强度增加而减小。以直径19 mm栓钉为例,当混凝土抗压强度为20、30、40和50 MPa时,栓钉有效受力长度为4.42d(d为栓钉直径)、4.00d、3.68d和3.42d。

钢管混凝土系杆拱桥静动载试验与分析

通过对北澄子河大桥主桥的静动栽试验数据分析,了解钢管混凝土系杆拱结构的实际工作状况,以验证该桥的结构强度、刚度是否满足设计要求,并为今后大桥的运营及养护管理工作提供科学依据。

预制桥墩承插式连接轴压性能分析

为研究预制桥墩承插式连接在轴压作用下的力学性能,通过非线性三维数值模拟,确定了测试承插式连接轴压性能的合理模型设计方案,研究了墩柱承插深度、墩柱界面构造以及灌浆料强度对轴压性能的影响规律。研究结果表明:基于表面接触算法的ABAQUS有限元数值模型能较好地模拟承插式连接在轴压荷载下的力学行为;采用圆形底座与外包约束钢管的试件设计方案可避免因应力集中产生的底座开裂现象,有利于充分测试承插式连接的轴压性能;增加墩柱承插深度将提升承插式连接的轴压承载力,且承载力提升与承插深度增加呈线性关系,但承插深度对连接侧剪力强度的影响较小;采用波纹、键齿、糙化三类墩柱界面构造的承插式连接轴压性能相似;灌浆料抗压强度由40 MPa提升至80 MPa,承插式连接轴压承载力仅提升11.4%。

3D打印钢纤维增强UHPC力学性能试验研究

为研究3D打印超高性能混凝土(3D printing ultra-high performance concrete,3DP-UHPC)的基本力学性能和破坏模式,制备了钢纤维增强的3DP-UHPC,并进行了抗压、劈裂和抗弯试验,研究钢纤维掺量、受力方向、层间间隔时间对其基本力学性能的影响。结果表明:钢纤维增强的3DP-UHPC具有良好的力学性能,3个方向的抗压强度均能达到160 MPa,最高达200 MPa以上;随着钢纤维掺量提升,3个方向的抗压强度均得到增强;3DP-UHPC存在打印层间薄弱界面,且黏结强度随层间间隔时间增加而明显降低,当层间间隔时间从0 min增加至70 min,层间劈裂强度降低了46.4%;当钢纤维掺量从0.5%增加至2.0%时,抗弯初裂强度提高15.0%,极限强度提高49.4%,抗弯韧性得到提升,开裂模式也从单个贯穿裂缝转变为裂缝偏转、尖端分叉和双缝开裂等模式。

随机-区间混合不确定性下FRP桁架桥多尺度可靠性分析

桁架结构是FRP材料在新建桥梁结构中应用的主要形式之一,然而由于缺乏设计规范、分析方法和数据信息等,FRP桥梁结构存在真实安全度模糊的问题。针对FRP桁架桥在细-宏观尺度参数均存在不确定性,且同时存在随机不确定性和由于概率信息缺乏而表达为非概率不确定性的问题,提出一种多尺度混合可靠性分析方法,该方法能够处理在概率和非概率不确定性并存的FRP结构中的可靠性分析问题。首先,综合运用多尺度方法及随机-区间混合可靠性分析方法等建立多尺度混合可靠度分析模型,并给出可靠度计算公式。其次,通过理论算例验证所提出算法的有效性和精确性。然后,方法应用于一座GFRP桁架桥,通过有限元分析和参数敏感性分析识别对宏观响应影响最显著的不确定性参数,根据显著参数概率信息的完整性,将其划分为区间变量和随机变量。进一步对桁架桥进行位移控制的可靠性分析和以应力控制的可靠性分析,结果表明细观尺度的材料力学性能对桥梁位移控制的可靠性影响较大,而对应力控制的可靠性影响不明显;对桥梁位移控制和应力控制的可靠性影响最大的参数分别为外荷载和抗拉/压强度。最后,比较了方法与其他3种区间变量的处理方法(不考虑区间变量、作为截断正态分布、作为均匀分布)的可靠性,表明不确定性处理的不合理将导致结构可靠性预测的不准确。

FRP工程结构多尺度不确定性分析研究进展

纤维复合材料(FRP)结构在桥梁工程中的应用日益增多,但其采用复杂的制造工艺导致FRP材料属性及其构成结构性能存在较大的离散性,同时不确定性参数的多层级、非均质和种类多等特点使得其结构可靠性较难准确量化。为推动FRP结构不确定性分析方法和应用研究的进一步发展,从FRP结构不确定性来源、材料力学性能概率预测方法、结构可靠性分析方法3个方面梳理国内外FRP结构不确定性分析方法的研究进展,并探讨其不足和发展趋势。不确定性来源方面,从复合材料制造缺陷分类出发,详细阐述典型制造缺陷的成因、对FRP力学性能的影响及其引起的不确定性。材料力学性能概率预测方法方面,综述了基于均匀化理论的摄动随机有限元法和谱随机有限元法等概率均匀化方法的适用范围,并介绍了上述方法在细观尺度不确定性对宏观力学属性的影响程度和敏感性分析中的应用。结构可靠性分析方面,分别综述了用于FRP结构静力分析、动力分析和屈曲稳定分析的多尺度不确定性分析方法以及可靠性分析方法的研究。研究结果表明:FRP结构显著的几何多层级和复杂的制造工艺不可避免地产生各种缺陷而造成力学性能下降和离散性,采用试验、细观力学模型和均匀化方法并结合随机有限元等方法以实现细观尺度不确定性向宏观尺度材料性能和结构响应不确定性的跨尺度演化是多尺度不确定性分析的主要手段。试验往往只能对特定组分材料、细观结构的复合材料进行测定,而理论模型基于理想几何结构和边界条件等假设,对于实际中复杂制造缺陷引起的材料力学性能和结构响应不确定性难以全面系统地覆盖。因此,基于适用于复杂细观结构的计算均匀化方法的不确定性分析方法将成为FRP结构多尺度不确定性分析的发展方向。

2300m级超大跨公路悬索桥多维度多指标刚度体系研究

我国在建悬索桥跨度已突破2 300 m,而现行规范尚未给出评定超大跨悬索桥设计刚度的计算方法,致使其刚度选取无据可依。为研究2 300 m级超大跨悬索桥合理刚度表征指标体系,从行车安全性、舒适性的需求分析出发,提出了涵盖竖向、横向、扭转的多维度刚度体系。基于境内外刚度设计指标现状和既有桥梁刚度指标调研,提出了适用于多维度、多参数的刚度设计指标及其限值计算思路。本研究的思路可为同类超大跨度公路悬索桥刚度取值提供参考。

考虑拉伸刚化效应的纤维网格增强超高性能混凝土弯曲性能

纤维网格增强超高性能混凝土(TR-UHPC)利用短切钢纤维与连续纤维网格协同增强机制进一步提高超高性能混凝土(UHPC)力学性能和应变硬化效应。为研究TR-UHPC薄板的弯曲性能及其设计方法,开展了四点弯曲试验,分析了钢纤维和纤维网格的协同增强增韧效应。在此基础上,提出了基于拉伸模型和弯曲模型的TR-UHPC弯曲构件设计方法,并分析了拉伸刚化效应对TR-UHPC构件受弯性能的影响。研究结果表明,TR-UHPC薄板的受弯承载力随着钢纤维掺量及纤维网格层数的增加而增大,而多组试件在钢纤维掺量为1.0%或1.5%时达到最高弯曲强度,钢纤维用量可有效降低。弯曲模型计算结果与试验数据吻合较好,并能够匹配拉伸模型的计算结果,该方法可在材料已知的条件下对构件的承载力进行预测,或根据构件性能需求进行材料调配,实现从材料到构件的协同设计。

数据驱动的UHPC与钢筋界面黏结强度研究

超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,UHPC)与钢筋界面的良好黏结是保证结构安全和正常使用的关键,直接决定了结构设计与性能评估。然而,传统基于试验或力学推导的界面黏结性能评估方法难以反映众多因素的影响,预测精度低、方差大。近年来,基于人工智能的数据驱动技术发展迅猛,为解决上述问题提供了新思路。建立了样本容量为670的钢筋与UHPC界面黏结试验数据库,分析了特征相关性和主要因素影响规律。剔除数据缺失、数据噪声等无效数据后,得到了557组有效数据子库。基于机器学习方法训练并生成了9种黏结强度预测模型,包括4个线性模型和5个非线性模型。采用决定系数(R^(2))、均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)指标开展了模型预测精度评价,对比了机器学习模型和传统模型的预测精度。结果表明:钢纤维掺量2%的试验样本占75.8%,钢筋直径16 mm的试验样本占64.6%,缺乏其他纤维掺量与钢筋直径的研究样本,尤其是低配纤、高配纤以及大直径钢筋的试验数据。5次随机抽样训练预测结果中,人工神经网络模型对试验结果预测最好,R^(2)、RMSE和MAE分为0.918、4.22和2.51,支持向量机模型对试验结果预测最差。对全集预测结果中,规范和学者提出的传统模型精度不足且过于保守,精度最高的模型预测结果R^(2)为0.474、RMSE为11.5、MAE为9.5。9种机器学习方法中,人工神经网络模型和树类模型对试验结果预测最好,精度最高模型R^(2)为0.966、RMSE为2.9、MAE为1.6;相较精度最高的传统模型,其R^(2)提高了103.8%,RMSE和MAE分别降低了74.8%和83.2%,表明机器学习模型可大幅提升预测精度,为UHPC与钢筋界面黏结强度计算提供了新的思路。