2种弧形切口对RF构造细节疲劳性能影响的现场监测

现场监测能真实反映结构的构造细节、边界约束和桥面加载条件,是正交异性钢桥面板疲劳评价最合理有效的方法之一。基于某正交异性桥面板钢箱梁桥,通过监测随机车流下同一车道紧邻的2个横隔板上疲劳敏感构造细节的应力响应时程,对比2种不同弧形切口正交异性钢桥面板构造细节的应力响应;通过雨流计数法获取构造细节应力谱,再基于米勒线性累积损伤准则计算疲劳等效应力幅和等效加载次数;最后基于AASHTO LRFD规范条文计算相关构造细节的疲劳寿命。研究结果表明:横隔板弧形切口构造细节总应力是面内应力分量主导,小弧形切口峰值应力时面外应力对总应力的比不大于23%,而大弧形切口仅略减小到20%,但大弧形切口削弱了横隔板腹板,使得传递面内竖向应力的面积减小,反而增大了弧形切口构造细节的应力,因而大弧形切口构造细节的疲劳寿命仅为10.6年,低于小弧形切口的14.2年;对纵肋-横隔板(Rib-to-floorbeam,RF)焊缝构造细节而言,大弧形切口减轻了RF之间的相互约束,能一定程度减小RF纵肋侧和RF横隔板侧的应力响应;但增大了RF围焊处因弯曲产生的压应力,从而导致横向泊松效应在该构造细节处产生大的二次应力;采用小弧形切口时估计的纵肋-横隔板焊缝构造细节的疲劳寿命大于100年,而采用大弧形切口对应寿命仅为31年。研究结果可为正交异性钢桥面板抗疲劳设计和加固提供有益的参考。     

钢箱梁横隔板弧形切口疲劳性能及构造优化研究

为评估正交异性钢桥面板的疲劳寿命,给维修和设计提供参考,以某连续钢箱梁桥(设置高1.8m的横隔板与净高0.9m的横肋)为背景进行研究。采用ANSYS子模型技术建立了钢箱梁节段模型,基于热点应力法对横隔板与横肋弧形切口起始处和弧形切口自由边两处疲劳细节进行了寿命预测,并就两处细节疲劳性能对弧形切口型式和板厚变化的敏感性进行了分析。结果表明:随横肋高度增加,弧形切口两处细节的疲劳性能对于板厚变化的敏感性增强;随弧形切口曲率比增大,弧形切口起始处的计算寿命增加,而弧形切口自由边的计算寿命减小;优化后横隔板与横肋的弧形切口的曲率比分别取3.33和4.29、板厚分别取12mm和8mm,较原设计切口型式,优化后可将横隔板与横肋的弧形切口的计算疲劳寿命分别延长7.8年和9.6年。     

新型UHPC—大纵肋波折板正交异性桥面板疲劳性能研究

新型UHPC—大纵肋波折板正交异性桥面板取消了顶板与纵肋焊缝,减少了横隔板与纵肋焊缝,为改善正交异性钢桥面板控制部位的疲劳性能提供了一个有效新途径。然而,由于波折板与横隔板保留横向焊缝,其疲劳风险仍然可能存在,故针对纵肋与横隔板位置的关键疲劳细节,采用数值分析并结合热点应力法对各参数影响下的轮载应力幅和疲劳寿命进行评估验证。结果表明,新型组合桥面板的大纵肋波折钢板及横隔板的疲劳寿命主要受弧形切口顶应力幅控制,施工时应加强切口打磨质量,防止疲劳开裂。另外,UHPC板厚增大、横隔板间距减小以及横隔板厚度加大时,各疲劳细节应力幅均有减小趋势,但加大纵肋高度或填充混凝土补强纵肋后,其各疲劳细节应力幅增减趋势并不一致。通过合理参数设计可使得各疲劳细节应力幅趋势均匀,获得优异的抗疲劳性能。     

U肋设小隔板和支撑板的正交异性板疲劳性能试验研究

为了解钢桥正交异性板U肋设置小隔板和支撑板对其疲劳性能的影响,以大岳高速洞庭湖大桥为背景,设计制作一个3跨钢桥面板节段足尺模型(其中1道横隔板处U肋设置小隔板和支撑板的优化措施),进行不同横向加载位置的静力试验和正载下的疲劳试验,分析有无改善措施时弧形切口、横隔板和U肋焊趾处主拉应力,以及疲劳裂缝开展情况。结果表明:静力试验中,与无改善措施相比,有改善措施的弧形切口、U肋焊趾的最大应力降幅分别达30%、68%,但横隔板焊趾处应力增加至弧形切口最大应力的130%;小隔板开孔可抑制横隔板焊趾处应力;疲劳试验模型出现4条裂缝,非直接轮压处、未开孔小隔板处的横隔板两侧焊趾均发生开裂,直接轮压处、有改善措施的横隔板焊趾处的疲劳开裂加载次数提高了89%;可将开孔小隔板和支撑板用于承受轮压荷载较大的重车道上。     

钢箱梁横隔板弧形切口疲劳性能及构造优化研究

横隔板弧形切口处疲劳开裂是钢箱梁的主要疲劳病害之一,为提高该细节的疲劳性能,确定其合理构造形式,以某悬索桥(加劲梁采用钢箱梁)为背景,建立钢箱梁节段有限元模型进行疲劳应力分析,基于P-M线性积伤律和Eurocode 3提供的S~N曲线计算其疲劳寿命,比较6种国内外常用弧形切口的疲劳性能,并分析切口半径和横隔板厚度对疲劳应力的影响。结果表明:轮载作用下横隔板弧形切口处存在明显的拉、压应力集中区;疲劳裂纹萌生于压应力集中区,裂纹扩展方向与主压应力方向基本垂直;弧形切口的形式显著影响其疲劳性能,国内外典型孔型中,圆弧+直线方案(孔型4)为刚性横隔板弧形切口的最佳孔型;适当增加孔型4的切口半径和横隔板厚度有利于提高其疲劳寿命,增加切口半径较增加板厚效果更好。     

货运繁重公路正交异性板钢桥弧形切口的疲劳性能

为研究货运繁重公路上某正交异性钢桥面弧形切口开裂现象,基于动态称重系统(WIM)得到了疲劳车模型,并建立了钢箱梁节段模型和桥面板子模型,开展了该钢桥弧形切口应力响应分析和疲劳寿命评估。研究表明:横隔板弧形切口的应力局部效应非常明显,其横桥向应力影响线长度在2个纵肋范围左右,纵桥向应力影响线长度在2个横隔板范围左右;弧形切口仅能分辨轴组,而不能分辨轴组内单轴,因而1辆疲劳车加载可以在弧形切口产生2个大应力幅,分别对应中间双联轴和后面的三联轴;弧形切口在最小净截面处存在显著应力集中,周围存在明显的应力梯度,越靠近弧形切口边缘,应力梯度越明显,其最大主应力方向与实桥开裂形态相符;面内应力显著主导弧形切口应力响应,横隔板存在一定的面外变形,适当增加横隔板的厚度,可有效降低弧形切口应力水平;考虑轮载横桥向分布,纵肋R18和R19之间的弧形切口疲劳寿命为6~13年,这与实桥弧形切口疲劳开裂时间和位置均比较吻合;货车通行比例高、通行量大和超载严重是导致该桥过早出现疲劳开裂的主要原因;提出的实测疲劳车模型能为货运繁重公路上的钢桥,特别是正交异性钢桥面板疲劳设计和评价提供重要的参考。     

高疲劳抗力钢桥面板的疲劳问题Ⅰ：模型试验

正交异性钢桥面板的疲劳开裂问题是制约桥梁工程可持续发展的关键难题，亟需发展具有高疲劳抗力的正交异性钢桥面板。同时引入纵肋与顶板新型双面焊构造细节和纵肋与横隔板新型交叉构造细节2类构造细节，提出了一种高疲劳抗力钢桥面板，设计了2个足尺节段模型，通过模型试验确定了纵肋与顶板传统单面焊构造细节和新型双面焊构造细节的疲劳开裂模式和疲劳性能，采用扫描电子显微镜（SEM）确定了单面焊构造细节焊根和双面焊构造细节焊趾的初始微裂纹尺度；研究了纵肋与横隔板传统交叉构造细节和新型交叉构造细节的疲劳开裂模式。研究结果表明：纵肋与顶板传统单面焊构造细节的疲劳裂纹起裂于顶板焊根并沿顶板厚度方向扩展，其疲劳强度为98.7 MPa，新型双面焊构造细节的疲劳裂纹起裂于顶板内侧焊趾并沿顶板厚度方向扩展，其疲劳强度为123.2 MPa；传统单面焊构造细节焊根的初始微裂纹尺度显著大于新型双面焊构造细节焊趾的初始微裂纹尺度，初始微裂纹尺度的差异是2种开裂模式的疲劳抗力存在显著差异的主要原因；纵肋与横隔板传统交叉构造细节的疲劳裂纹起裂于纵肋腹板焊缝端部焊趾并沿纵肋腹板扩展，新型交叉构造细节的疲劳裂纹起裂于纵肋底板焊缝端部焊趾并沿纵肋底板扩展，2类构造细节的起裂次数基本一致，但新型交叉构造细节的疲劳裂纹扩展速率远低于传统构造细节；相同加载条件下，高疲劳抗力钢桥面板结构体系的疲劳寿命显著优于传统钢桥面板结构体系。     

钢桥面板弧形切口疲劳裂纹切割修复与优化

对正交异性钢桥面板的弧形切口进行疲劳修复时，切割孔形的优劣决定了疲劳修复效果。以检查到较多弧形切口疲劳病害的钢桥面板为研究对象，采用有限元和结构力流法分析了弧形切口处应力集中的原因。结合4种修复方案对切割孔形的圆弧半径、直线长度和倾角进行参数优化，得到了切割孔形对峰值应力的影响规律。依托钢桥面板弧形切口疲劳裂纹切割、修复工程，选择切割前、后的弧形切口开展试验研究。采用试验车进行纵向和横向移动加载，测试了2片横隔板弧形切口断面和侧面的应力分布规律和轮载位置-应力变化关系，并采用修正名义应力法近似评估其疲劳寿命。研究结果表明：轮载产生的力流通过U肋以剪应力的形式传递给横隔板，力流扩散中遇到弧形切口的阻碍，导致切口处力流高度密集；弧形切口开孔尺寸宜小，开孔半径宜大，避免阻碍力流传递路径；弧形切口优化后，其峰值应力降低58.4%，考虑横向概率分布的等效应力降低55.2%；因增大弧形切口的开孔而削弱截面面积，导致横隔板的平均压应力稍有增大；基于有限元计算和试验测试的峰值应力进行疲劳寿命预测，修复前的疲劳寿命分别为3.8年和7.2年，修复后的寿命分别为58.5年和184.4年，说明此切割修复方法具有良好的加固效果。     

正交异性钢箱梁悬索桥弧形切口优化有限元分析

分析了钢箱梁主梁横隔板弧形切口疲劳开裂的成因,针对短小裂纹和较长裂纹分别提出了弧形切口优化加固方案,降低弧形切口应力幅;对优化加固前后弧形切口进行有限元计算,分析正交异性钢箱梁的应力分布和疲劳特征,进而评价优化加固效果,结果显示弧形切口优化后应力值比优化前明显减少,优化方案对弧形切口的局部受力有较大改善。     

正交异性钢桥面板疲劳裂纹试验和数值分析

横隔板开孔和U肋与横隔板连接焊缝端头部位是正交异性钢桥面板的疲劳敏感部位,容易过早、过多地出现疲劳裂纹。为了研究疲劳裂纹产生的原因,以某钢箱梁悬索桥为背景,针对其正交异性钢桥面板制作节段模型进行疲劳试验和扩展有限元分析,考虑横隔板面外变形的影响,研究横隔板开孔部位、U肋与横隔板连接焊缝端头部位疲劳裂纹的产生和扩展。结果表明:节段模型经200万次疲劳荷载作用后,横隔板开孔处出现长7.5mm的裂纹,260万次后扩展到31mm;考虑顶板和横隔板之间的相对水平位移(1.21mm)时,各测点的面内应力计算值与实测值整体吻合良好;横隔板开孔断面最小处的应力达60 MPa,热点应力达到或超过该细节的常幅疲劳极限70MPa,在此处产生裂纹;横隔板的面外变形是诱发横隔板开孔处裂纹的根本原因,热点应力和结构缺陷促使了裂纹的产生。     

钢箱梁正交异性桥面板球扁钢纵肋球头朝向和横隔板空孔的优化

某钢箱梁正交异性桥面板行车道范围内采用球扁钢纵肋,在横隔板对应部位设置空孔让纵肋连续通过,为研究横隔板的空孔圆弧、空孔与纵肋连接端部等两个细节部位的受力特性,以某立交桥F匝道为工程背景,建立全桥有限元模型,对称荷载作用,对比横隔板对称位置空孔应力分布,分析纵肋球头朝向和背对邻近腹板两种布置对空孔受力的影响。荷载位于不同横向位置,分析横隔板空孔面内受力。荷载位于不同纵向位置,分析横隔板空孔面外受力。对横隔板空孔圆弧半径进行参数分析。研究表明,球扁钢纵肋球头背对邻近腹板和适当增大空孔圆弧半径等措施,可明显改善横隔板空孔圆弧部位受力,但对空孔与纵肋连接端部效果不够明显,需采取进一步措施以改善该细节部位的受力性能。     

钢桥面板纵肋与横隔板连接位置疲劳损伤特征

纵肋与横隔板连接是控制钢桥面板耐久性的关键构造细节,其在轮载作用下应力传递复杂,构造设计不当极易引起疲劳裂纹。目前常规式纵肋与横隔板连接在运营过程中可能发生的疲劳裂纹形式有横隔板弧形开孔裂纹、焊缝端部横隔板裂纹、焊缝端部纵肋水平裂纹或竖向裂纹,针对常规式连接的不足,设计上进一步提出内肋式和无缝式2种构造类型。采用有限元方法,以纵肋与横隔板连接可能出现裂纹的4类细节为对象,基于应力影响面分析,讨论了车辆轮载移动对各细节局部受力的影响,研究了常规式、内肋式和无缝式3种构造类型的疲劳损伤特征。结果表明：轮载作用下4类细节的局部效应非常显著,纵向影响区域约在3道横隔板之间,横向影响区域约在2个纵肋范围;考虑轮迹横向概率分布,各细节应力幅横向折减系数在0.94~0.97范围内。常规式连接弧形开孔细节应力幅最大,主要受面内变形控制,纵肋壁板水平细节次之,表现出明显的面外弯曲特性。与常规式连接相比,内肋式连接纵肋壁板水平细节和竖向细节最大应力幅分别降低28%和29%,减缓了纵肋在焊缝端部的应力集中程度。无缝式连接可能的疲劳破坏形式减少为横隔板焊趾开裂和纵肋壁板焊趾开裂2类,分析发现这2类细节均主要处于受压状态。常规式连接疲劳寿命预估为41.2年,纵肋壁板出现水平裂纹导致疲劳破坏的可能性较大;内肋式连接疲劳寿命由横隔板弧形开孔细节控制,较常规式连接提高58%;无缝式连接疲劳寿命预估为85.3年,较常规式和内肋式连接分别提高107%和31%,且两细节寿命相近,从全寿命设计角度考虑该构造更为合理。     

预应力NSM CFRP抗剪加固钢筋混凝土T梁试验

大跨径预应力混凝土梁桥易因竖向预应力损失等导致抗剪性能不足,引起腹板斜裂缝和梁体下挠等病害.为提高混凝土梁桥的斜截面承载和抗裂性能,提出了表层嵌贴(NSM)预应力CFRP加固钢筋混凝土梁腹板的方法,研发了专用夹具及张拉锚固装置,并实现了预应力NSM CFRP对钢筋混凝土T梁腹板的抗剪加固.在此基础上,进行了4根预应力N...     

高疲劳抗力钢桥面板的疲劳问题Ⅱ：结构体系抗力

为了深刻认识高疲劳抗力钢桥面板的疲劳特性，准确评估其结构体系的疲劳抗力，基于等效结构应力建立了考虑焊接微裂纹对钢桥面板疲劳性能劣化效应的结构体系疲劳抗力评估方法，并通过疲劳试验对所建立的评估方法进行了验证。在此基础上采用所建立的结构体系疲劳抗力评估方法对高疲劳抗力钢桥面板的疲劳开裂模式、疲劳抗力及其影响因素等相关关键问题进行系统研究。研究结果表明：焊接微裂纹的存在会显著降低钢桥面板的疲劳性能，导致主导疲劳开裂模式发生迁移；结构体系设计参数对纵肋与顶板双面焊构造细节和纵肋与横隔板新型交叉构造细节疲劳性能的影响有显著区别，其中纵肋与顶板双面焊构造细节的疲劳性能主要对顶板厚度的变化较为敏感，其疲劳性能随着顶板厚度的增加而显著提升，而纵肋与横隔板新型交叉构造细节的疲劳性能同时受多个参数的影响，其疲劳性能随着顶板厚度、横隔板厚度和纵肋高度的增大而提升，随着横隔板间距和纵肋底板与横隔板之间焊缝长度的增大而降低；传统钢桥面板的主导疲劳开裂模式为纵肋腹板与横隔板交叉构造细节围焊焊趾开裂，高疲劳抗力钢桥面板的主导疲劳开裂模式为纵肋底板与横隔板交叉构造细节纵肋焊趾开裂；相对于传统正交异性钢桥面板，高疲劳抗力钢桥面板结构实现了主导疲劳开裂模式的迁移，疲劳性能显著提高。     

预应力碳纤维条带加固混凝土圆墩抗震性能试验

针对地震灾害中桥墩柱的破坏形态,考虑轴压比变化、预应力大小、纤维布层数和加载顺序等因素的影响,对9根采用与未采用预应力碳纤维条带加固的钢筋混凝土圆形墩柱进行了低周反复荷载试验研究。通过各试件主要破坏形态和滞回曲线的对比,分析了各因素对承载力、延性性能、滞回特性、耗能能力等重要抗震性能指标的影响。结果表明：采用预应力碳纤维条带加固后,柱的承栽力、延性性能、耗能能力均有较大幅度提升;预应力碳纤维条带提供的主动横向约束力能有效抑制斜向剪切裂缝的开展,将圆墩柱的破坏形态由剪切破坏转变为延性较好的弯曲破坏;先施加轴力后进行预应力碳纤维条带加固所得的加固承载力低于后施加轴力的试件。     

粘贴纤维布加固RC梁的受弯裂缝计算方法

针对目前关于粘贴纤维布(FRP)限制钢筋混凝土(RC)梁裂缝开裂的作用缺乏理论探讨和定量分析的问题,根据混凝土裂缝开裂机理建立了粘贴纤维布加固梁的裂缝开裂全过程表达式,在5片粘贴纤维布加固的RC简支T型梁试验中定量研究了不同受力阶段下的裂缝宽度和裂缝间距,理论分析和试验研究都考虑了初始荷载对裂缝开裂的影响。分析表明:纤维布粘结应力是裂缝间距和宽度减小的主要原因,粘贴纤维布加固后梁的裂缝开裂分为两个阶段。最后,提出了粘贴纤维布加固RC梁的受弯裂缝宽度计算方法。     

轻型组合桥面弧形缺口应力特征分析及现场试验

为深入研究钢-UHPC （Ultra-high Performance Concrete）轻型桥面组合体系对弧形缺口的应力改善程度，结合一座大跨自锚式悬索桥，针对正交异性钢桥面板（Orthotropic Steel Deck，OSD）结构铺设UHPC层前、后2种情形，选择3种不同弧形缺口形式，分别建立空间实体有限元分析模型，并采用简化加载、响应面加载2种方式进行分析，由此获得了弧形缺口应力、变形分布规律与车辆轴载位置之间的关系，揭示了弧形缺口出现峰值拉、压应力的原因。以此为基础，采用三轴加载车分别在铺设UHPC层前、后进行现场跑车试验，采集了弧形缺口多个关注点在不同横向加载位置的应力响应曲线，获得了各点的应力极值，并与有限元结果进行了对比分析。研究结果表明：铺设UHPC前、后弧形缺口关注点应力特征随荷载分布规律基本相同，面内应力为主、面外应力较小，拉应力主要由荷载偏载产生、加载区域长，而压应力主要由荷载直接作用于弧形缺口顶部产生，且加载区域短；采用传统简化加载方式难以获得弧形缺口处准确的拉应力峰值，并可能导致应力幅偏小，并由此提出了合理的加载方式；本桥五段线弧形缺口形式受力相对较好；铺设UHPC层能有效减少弧形缺口应力峰值，并在一定程度上缓解疲劳问题，是OSD结构提高疲劳性能的一种有效方案。     

预应力CFRP板加固钢梁抗弯疲劳试验研究

首先,采用修正的Pairs公式分析粘贴预应力CFRP板加固的钢构件的疲劳裂纹扩展行为.然后通过粘贴CFRP板的预制裂纹钢梁4点弯曲进行疲劳试验研究,最后基于阻止裂纹扩展的角度提出一种初步估计加固所需预应力大小的简化计算和设计方法.结果表明,粘贴预应力CFRP板对钢梁疲劳寿命的影响很大,与预制裂纹阶段比寿命提高最高可达10倍以上.不同的预制裂纹,同样的加固措施效果差别可达10倍.采用后张法施加预应力效果很好,锚固装置可以实时控制有效预应力,且预应力损失很小.     

钢桁梁整体焊接节点疲劳性能模型试验

整体焊接节点钢桁梁具有广阔的应用前景,其疲劳性能由整体焊接节点所决定。以长清黄河大桥为研究对象,通过理论分析和两尺度疲劳破坏试验对钢桁梁整体焊接节点的疲劳性能进行了研究。首先通过全桥杆件内力分析和多尺度疲劳损伤分析确定了控制主桁疲劳性能的整体焊接节点位置及其控制构造细节;在此基础上设计了2类共21个试验模型,其中包括20个构造细节试样模型和1个足尺节段模型,进行了疲劳破坏试验,确定了整体焊接节点控制构造细节的主导疲劳开裂模式、应力集中系数和疲劳强度。研究结果表明：节点顶板、横梁上翼缘与节点板熔透对接焊连接细节是整体焊接节点疲劳性能的控制构造细节,其主导疲劳开裂模式为从节点板焊趾起裂并沿板厚扩展;实际受力模式下,控制构造细节中节点板焊趾应力集中系数为1.163,横梁上翼缘焊趾应力集中系数为1.789;2类试验模型的宏观疲劳裂纹起裂寿命均占总疲劳寿命的75%以上,故将2类试验模型的疲劳失效判据统一定义为出现宏观疲劳裂纹;基于此,2类试验模型所得到的控制构造细节疲劳强度等级基本一致;控制构造细节2种开裂模式名义应力疲劳强度等级均建议采用公路钢结构桥梁设计规范中的FAT80,热点应力疲劳强度均建议采用欧规中的FAT90。