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.      

钢桥疲劳研究进展

系统归纳与剖析了钢桥疲劳研究新进展,总结了钢桥疲劳荷载、疲劳机理、抗疲劳设计方法、疲劳安全监测与评估、疲劳安全维护等方面的创新成果,探讨了钢桥建设与运维面临的技术挑战,展望了钢桥疲劳创新研究发展方向。研究结果表明：(1)已研发的与桥位处交通荷载特征、结构型式、设计使用年限匹配的车辆、列车、温度疲劳荷载模型,推进了长寿命桥梁抗疲劳设计理论的完善;(2)采用车辆-温度耦合疲劳应力的“冲浪”计算模型能够较好反映钢桥实际疲劳损伤度,温度与车辆耦合作用下的疲劳累积损伤度比仅考虑车辆作用时大10%～15%;(3)涌现了物理疲劳试验、数字疲劳试验和原位疲劳试验技术相融合的疲劳机理研究新范式,部分改变了传统疲劳认知,探明了畸变变形比、应力比对畸变疲劳行为与细节疲劳强度的影响规律,发现了实桥拉吊索服役大应力比条件下钢丝疲劳强度骤降现象,揭示了拉吊索钢丝强度等级由1 670 MPa提高到2 060 MPa时钢丝疲劳强度先增大、后下降的客观规律,明确了耐候钢桥细节腐蚀后疲劳强度并未下降的客观事实;(4)全桥多物理场、跨尺度和多概率疲劳孪生模型的构建已逐步实现,促进了数据原生、数据相生和虚实共生的钢桥疲劳元宇...     

沥青混合料粗集料抗疲劳性能

为研究AC-13沥青混合料在重复荷载下各挡粗集料的抗疲劳性能,提出反映各挡粗集料特性的沥青混合料等效基体(AC-9.5、AC-4.75、AC-2.36、AC-1.18)概念;通过疲劳过程等效基体的开裂特性,分析各挡集料的抗疲劳能力。建立疲劳过程Miner线性损伤模型,设计不同应力水平的劈裂强度试验和疲劳试验,得出各等效基体劈裂抗拉强度和疲劳寿命。依据损伤模型与疲劳寿命结果,划分沥青混合料及其等效基体不同损伤程度(20%~80%)的疲劳作用次数;定义裂纹贯穿比例,分析不同应力水平等效基体随损伤程度的裂纹贯穿变化规律。结果表明:9.5~13.2 mm集料和4.75~9.5 mm集料对提高AC-13沥青混合料抗疲劳性能的作用大于2.36~4.75 mm和13.2~16 mm集料;通过提高4.75~13.2 mm集料的质量分数可以提高沥青混合料的抗疲劳性能,但提高13.2~16 mm和2.36~4.75 mm集料的质量分数对提高抗疲劳性能作用不明显。     

酸雨环境-荷载耦合作用下拉索腐蚀损伤机理研究

通过开展拉索镀锌钢绞线在酸雨环境/荷载耦合作用下的人工加速腐蚀试验,对斜拉索施加交变荷载、静态荷载和无荷载,得出3种加载方式与腐蚀速率的关系,并论述了钢绞线应力腐蚀疲劳损伤的特点与机理;采用ANSYS有限元软件对不同腐蚀情况下的斜拉索进行数值模拟,分析了钢绞线均匀腐蚀、表面蚀坑深度对钢丝等效应力分布状态的影响。研究表明:加速腐蚀试验中的钢绞线,受到复杂荷载的构件在同等腐蚀环境中的腐蚀速率更高;腐蚀试验前期,应力腐蚀和腐蚀疲劳对抗拉强度的影响不大,3种加载方式之间的抗拉强度无明显差异,腐蚀试验中后期,抗拉强度开始急剧下降,交变应力加载试件出现抗拉强度短暂提高的现象;钢绞线腐蚀越严重,其在役状态时钢绞线表面蚀坑附近的应力就越大。     

水泥球磨机筒体疲劳强度探讨

对球磨机筒体的５种情况的焊件进行残余应力测试，并对进行热处理和未进行热处理的试件做疲劳试验及疲劳裂纹扩展测试。试验结果表明：经过热处理的软件，残余应力降低，疲劳强度提高，裂纹扩展速率降低，结构抗疲劳性能增强。不过从工程应用角度看，对于板为２０￣２５ｍｍ的球磨机筒体而言，不进行焊后热处理也能保证足够的疲劳强度。     

车轮铸钢材料热循环表面氧化特征分析

研究了车轮铸钢在不同温度幅下热疲劳损伤表面及次表层行为。研究发现,表面氧化及剥落现象和氧化物的开裂随循环上限温度的增高而愈加严重;次表层损伤以裂纹为主,附带一些蚀坑。其损伤机理是由于氧化脱碳使铁素体区形成腐蚀坑,腐蚀坑的连接形成微裂纹,热疲劳主裂纹优先通过铁素体区氧化腐蚀坑而向前扩展。     

斜拉桥钢桥面板顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群数字疲劳试验

为研究多场耦合作用下斜拉桥钢桥面板疲劳裂纹的扩展机理，建立了跨尺度斜拉桥全桥数字疲劳试验模型；通过模拟顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处多道焊缝的焊接全过程，将焊接残余应力引入数字疲劳试验模型中；基于扩展有限元法，在多场耦合作用下对顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处典型疲劳裂纹进行扩展机理的数字断裂参数分析与扩展行为的数字疲劳试验。研究结果表明:在顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处存在较大的残余拉应力，其最大值接近钢材的屈服强度，焊接残余应力对钢桥面板疲劳性能的影响不可忽略；后续焊缝会影响已有焊缝区域的应力场分布，在分析计算多道焊缝影响区域的焊接残余应力场时，需模拟多道焊缝的焊接全过程；在恒载应力场、活载应力场和焊接残余应力场的多场耦合作用下，按复合型裂纹扩展的工程准则，顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处4种典型疲劳裂纹的最大等效应力强度因子幅均大于疲劳裂纹扩展阈值，均将在疲劳循环荷载作用下发生疲劳扩展；在多场耦合作用下，过焊孔上方顶板-U肋连接焊缝的顶板侧焊趾处疲劳裂纹和U肋侧焊趾处疲劳裂纹均为以Ⅰ型裂纹为主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹，Ⅱ型和Ⅲ型裂纹的影响不容忽略；过焊孔上方顶板-U肋连接焊缝的顶板侧焊根处疲劳裂纹和横隔板过焊孔边缘处疲劳裂纹均为Ⅰ型裂纹；建立的多场耦合作用下多尺度数字疲劳试验可为运营阶段大跨度桥梁钢桥面板疲劳裂纹的扩展提供分析与模拟方法。      

外物损伤对25CrMo4合金车轴钢疲劳性能的影响

为研究外物损伤（FOD）与25CrMo4钢疲劳性能的关联，采用空气炮装置开展高铁车轴钢试样的FOD模拟试验. 首先于试样表面预制FOD缺陷；其次，通过旋转弯曲疲劳试验获得光滑试样和含FOD试样的应力-疲劳寿命（S-N）曲线；同时，基于有限元方法估算不同缺陷试样的应力集中系数，结合Peterson公式预测疲劳缺口系数（FNC）和疲劳极限. 研究结果表明:FOD车轴钢试样的疲劳性能明显低于光滑试样，冲击速度越高，疲劳性能越低；其中边缺陷的疲劳缺口系数最大为1.52，面缺陷最小，约为1.14，但疲劳寿命分散性较大；与试验结果相比，仿真模拟和理论计算可获得更低（偏于保守）的疲劳强度估算值.      

预应力CFRP板加固钢板受拉疲劳性能试验研究

为较好地预测预应力碳纤维材料(CFRP)板加固钢结构的疲劳性能,采用考虑有效应力强度因子幅的Pairs公式,分析了粘贴预应力CFRP板加固钢板的疲劳裂纹扩展行为.通过粘贴CFRP板的含中心孔的预制裂纹钢板的疲劳试验,分析了应力比、CFRP板刚度、预应力及粘结胶性能等因素对疲劳裂纹扩展的影响.试验结果表明:加固后结构的疲劳寿命提高16倍以上,疲劳寿命的理论分析结果偏于保守;预应力是疲劳寿命的主要影响因素,而CFRP板和粘结胶性能的影响有限;应力比埘疲劳寿命的影响很大,因此,对交通荷载的正确预估是加固能否取得成功的基础.     

无粘结预应力CFRP板加固受损钢梁疲劳试验研究

老旧钢桥在长期运营过程中容易疲劳开裂,严重影响桥梁结构安全,为改善受损钢梁构件的疲劳性能,采用大比例疲劳模型试验对无粘结预应力碳纤维增强复合材料（CFRP）板加固受损钢梁进行研究,基于Paris公式提出疲劳强度-寿命（S-N）曲线的确定方法,并分析不同预应力水平对受损钢梁寿命影响. 对不同预应力水平CFRP板加固的双缺口受损钢梁在循环荷载下进行疲劳试验,结果表明:施加预应力可降低裂纹扩展速率和受损钢梁残余挠度超过40%,最少可延长受损钢梁的疲劳寿命3倍;最高预应力水平所加固的受损钢梁,其疲劳寿命最少提高了8倍,且预应力CFRP板加固后缺口钢梁疲劳强度等级由51 MPa提高到75 MPa. 理论预测结果与试验结果符合较好,可作为推荐方法.      

缅甸某悬索桥主缆开缆检测及承载力评估

为研究在役悬索桥主缆的腐蚀状况以及剩余承载力，对缅甸某服役25 a的悬索桥主缆进行开缆检测以及承载力评估. 首先，除去主缆外层防护，用楔子将主缆局部楔开，建立主缆开缆截面腐蚀分布图；其次，将实桥主缆钢丝分为4个腐蚀阶段，从缆内截取各阶段的样本钢丝进行实验分析；最后，采用简化模型对主缆剩余承载力进行评估. 研究结果表明:钢丝沿主缆径向由外向内腐蚀程度依次降低，最外层钢丝发生严重的基体腐蚀，样本钢丝腐蚀斑随腐蚀程度加深而尺寸逐渐扩大，钢丝强度和延展性随腐蚀程度加深而降低约3.50%和9.00%，上下游主缆强度降低约5.7%.      

大跨桥梁缆索钢丝腐蚀速率的试验研究

为了探讨大跨桥梁缆索腐蚀规律,根据缆索钢丝的实际腐蚀状态制作了圆柱形腐蚀电极,基于正交试验设计原理和电化学实验方法进行了缆索高强度钢丝的腐蚀速率研究.在对试验结果直观分析和方差分析的基础上,研究了温度、含盐量、pH值等因素及交互作用对钢丝腐蚀速率的影响规律.研究结果表明,环境影响因素的主次顺序为:NaCl浓度> 温度> 温度与pH值的交互作用> pH值> 温度与NaCl浓度的交互作用> NaCl浓度与pH值的交互作用.温度和NaCl浓度对钢丝腐蚀速率的影响呈单调关系,而pH值的影响呈非单调关系.      

重庆地维长江大桥主塔斜拉索方案比选

结合工程实际,对斜拉桥的钢绞线及钢丝斜拉索的施工流程和工艺进行了介绍和对比。由于钢丝索具有弹模、疲劳强度较高,比较容易按照设计改变截面大小的优点,该工程最终采用了平行纲丝索做为主塔斜拉索,实践证明,钢丝索的选用较为合理,桥梁结构变形满足要求。     

拉索高强镀锌平行钢丝摩擦系数的进一步确定

准确识别斜拉索内平行钢丝间的摩擦系数值是确定拉索局部弯曲应力大小的必要的前提条件。为了进一步精确测定斜拉索高强镀锌平行钢丝摩擦系数值,利用自行设计的装置在所需加力范围内对钢丝施加正压力,所施加的正压力可以达到实桥中拉索工作时所受的正压力值的大小,在加力范围内,测定出一系列钢丝间的摩擦系数值。试验结果表明:随着正压压力的增大,斜拉索内高强镀锌平行钢丝的摩擦系数明显降低;但当压力增大到较大值时摩擦系数的降幅明显减缓。     

温度和湿度环境下未镀锌高强钢丝的腐蚀速率谱

为了预测主缆钢丝在服役过程中的腐蚀发展,计算了主缆钢丝在不同温度和湿度环境条件下的腐蚀速率,将主缆腐蚀环境的温度和湿度划分为5个等级,采用正交试验方法将其进行正交组合,控制恒温恒湿试验箱实验温度和湿度,利用微型极化电阻腐蚀传感器测量未镀锌高强钢丝的腐蚀速率,获得了温度、湿度与腐蚀速率的关系和耦合效应.试验结果表明:可将环境湿度70%、温度10℃以下区域归为钢丝弱腐蚀区;湿度75%以下、温度20~50℃区域归为钢丝低腐蚀区;湿度75%以上、温度10~50℃区域归为钢丝强腐蚀区.      

基于全寿命设计理论的斜拉桥拉索体系选择研究

全寿命设计理论是基于生命周期造价最低的理念,综合考虑规划、设计、施工以及耐久性设计、管养设计、拆除、回收再利用设计、风险评估及保险策略和全寿命周期成本分析等方面,使桥梁设计达到安全、经济、耐久及环保等。在分析斜拉桥拉索体系特点的基础上,重点比较了平行钢丝拉索和钢绞线拉索的各项技术指标以及两者在施工过程中的特点,结合全寿命设计理论,从全寿命造价最低及可持续发展的角度,得出钢绞线拉索体系较平行钢丝拉索体系优越的结论。建议在斜拉桥的施工中,多应用钢绞线拉索体系。     

斜拉索内平行钢丝间摩擦系数的确定

准确识别斜拉索内平行钢丝间的摩擦系数值是确定拉索局部弯曲应力大小的必要条件之一.在摩擦理论的基础上,考虑外荷载、金属表面膜、工况等影响摩擦系数大小的因素,提出了试验室测定和进一步修正镀锌高强钢丝间摩擦系数的方法,为进一步分析斜拉索内钢丝间联合工作情况提供了较为可靠的试验依据.     

S450EW高耐蚀性耐候钢的焊接工艺

通过斜Y铁研抗裂性试验、拉伸、冲击、弯曲、金相组织、疲劳和周期浸润腐蚀试验对S450EW新型高耐蚀性耐候钢焊接接头进行了研究.结果表明:采用TH650EW-Ⅱ焊丝对S450EW新型高耐蚀性耐候钢焊接时,可获得拉伸、冲击、弯曲及抗裂性能均良好的焊接接头;S450 EW钢材的金相组织为回火索氏体(贝氏体+铁素体),晶粒度7～8级,非金属夹杂物中硫化物0.5 ～1级,氧化铝0级;与传统耐候钢相比,接头的疲劳强度和耐腐蚀性能均有大幅度提升,为我国铁路货车的实际生产提供了理论依据.