锈蚀钢丝疲劳断口分析与寿命预测

为了研究桥梁锈蚀高强度钢丝的疲劳性能以及疲劳断裂机理,并为基于断裂力学理论的锈蚀高强度钢丝疲劳寿命评价提供试验依据,以服役10余年的漂浮结构体系的拱桥吊杆退役钢丝及人工加速腐蚀钢丝为试验样本,对这2类钢丝进行了不同应力幅下的疲劳试验;利用扫描电镜分析了锈蚀钢丝的疲劳断口形貌特征以及疲劳断裂失效过程,对比分析了2类锈蚀钢丝疲劳源的蚀坑尺寸;考察了2类锈蚀钢丝初始裂纹应力强度因子及剩余断裂韧性,并与既有的钢丝疲劳阈值和断裂韧性指标进行了比较;采用三参数公式对锈蚀钢丝应力-寿命(S-N)曲线进行了拟合,对比了不同锈蚀程度钢丝S-N曲线的差异;针对锈蚀钢丝高应力幅的疲劳寿命特征,运用线弹性断裂力学方法对其进行了分析。结果表明:随着腐蚀程度的增加,钢丝的疲劳性能下降;表面蚀坑分布较密时,容易诱发多源裂纹并表现出不规则的裂纹扩展规律;萌生主裂纹的蚀坑阈值条件主要由疲劳裂纹扩展阈值ΔK_(th)控制;锈蚀钢丝S-N曲线在低应力范围下出现拐点,符合三参数公式的拟合规律;锈蚀钢丝的裂纹扩展寿命所占比例较大,基于一定初始裂纹尺寸假设得到的疲劳裂纹扩展寿命SN曲线能较好地反映锈蚀钢丝中等寿命区的平均疲劳行为。     

交变应力与环境耦合作用下拉索腐蚀疲劳损伤机理研究

通过开展室内盐雾加速腐蚀试验,研究分析了各种应力状态下腐蚀钢丝的腐蚀失重量及弹性模量、抗拉强度等力学性能的变化,得出腐蚀钢丝各种力学性能中断后伸长率对疲劳腐蚀最为敏感的结论。在试验开展的基础上,以细观损伤力学为研究手段,并结合断裂力学强度准则,分析了环境腐蚀、应力腐蚀和疲劳腐蚀各自的特征、机理。腐蚀斜拉索的腐蚀疲劳损伤主要是由于腐蚀造成的钢丝表面的蚀坑,进而导致应力集中现象,加之氢致开裂,导致裂纹不断萌生、发展,研究分析了应用腐蚀疲劳裂纹扩展门槛值作为点蚀坑向腐蚀疲劳裂纹转化的判据的方法,并通过数值手段,分析了钢丝全面腐蚀、表面蚀坑深度、蚀坑形状和蚀坑纵向净间距对钢丝应力分布状态和疲劳寿命的影响。     

既有腐蚀拉索钢丝蚀坑形态参数的分布特征

从实际工程更换的腐蚀斜拉索中获取腐蚀钢丝试样,并利用室内加速腐蚀试验制备了腐蚀钢丝对比试样,针对各腐蚀分级的钢丝试样观测并记录了钢丝表面蚀坑的几何形态、数量和分布情况;利用统计分析研究了实际工程和腐蚀试验制备的钢丝试样的蚀坑形态参数的概率分布模型。结果表明:腐蚀钢丝的蚀坑几何形状可抽象为浅球形、深椭球形、浅椭球形、长槽形4种,不同腐蚀等级钢丝中4种蚀坑形状的出现数量有较大差异;蚀坑长度、宽度以及深宽比符合对数正态分布;考虑张拉应力的局部加速腐蚀钢丝试样的统计规律与实际工程腐蚀钢丝试样的统计规律具有良好的拟合度。     

索承式桥梁腐蚀吊索钢丝蚀坑特征研究

首先介绍了袁州大桥腐蚀钢丝蚀坑4种常见形貌,然后利用39根袁州大桥拆除得到的腐蚀旧钢丝分析研究了钢丝腐蚀蚀坑的三维尺寸分布特征,进行蚀坑几何参数的量测和统计,记录每个蚀坑的长度、宽度(弦长)和深度。数理统计表明蚀坑三维尺寸复杂,离散性大,蚀坑长度、宽度和深度较符合对数正态分布。利用分形理论研究了钢丝蚀坑尺寸的特征及蚀坑发展规律,研究表明腐蚀蚀坑三维尺寸具有明显分形特征,长度维数和深度维数随着失重率的增加而增加,宽度维数随着失重率的增加而降低。     

基于蚀坑参数的既有斜拉索钢丝腐蚀程度分级评价研究

钢丝腐蚀是导致斜拉索运营能力下降的主要因素,为了有效评估既有斜拉索的运营安全性,对其钢丝腐蚀程度进行准确的分级评价是基础性的工作。由于钢丝表面的蚀坑是导致钢丝力学性能退化的主要原因,采用实际工程更换下来的斜拉索中腐蚀钢丝为样本,以蚀坑几何尺寸为主要评价参数,进行了钢丝腐蚀分级下蚀坑参数测量试验研究。试验数据表明:钢丝腐蚀程度等级越高,蚀坑发育越明显,分布由稀疏变化为紧密相连,典型蚀坑深度逐渐增大,钢丝截面损伤率迅速扩大。基于试验统计数据,提出了包含蚀坑参数指标的斜拉索钢丝腐蚀分级的新评价标准,可有效提高斜拉索腐蚀开窗检测的实践操作性。     

面外变形下钢桥的疲劳贯通裂纹扩展行为研究

为了解钢桥的疲劳贯通裂纹在面外变形作用下的发展规律,对其扩展行为进行研究。制作双轴对称长方形钢板试件进行面外变形疲劳试验,选取5种应力比(0、-0.25、-0.5、-0.75、-1)进行加载,得到应力比为-1时的裂纹前沿为V形,其他应力比时裂纹前沿基本以1/4椭圆状为主。将得到的裂纹前沿引入到数值模型中,对应力比为-1与0时的裂纹扩展情况进行数值分析,通过J能量积分法计算得到沿不同裂纹前沿的应力强度因子分布。结合既有应力强度因子计算公式和数值计算结果,提出基于实际裂纹前沿的面外变形作用下的疲劳裂纹应力强度因子计算公式修正系数,针对不同的裂纹长度建议在0.43~0.54取值。     

基于有限元法的柴油机曲轴裂纹扩展模拟研究

以某型直列柴油机曲轴为研究对象,建立曲轴的有限元模型,采用子结构技术对有限元模型进行模态缩减。应用AVL.Excite进行曲轴的多体动力学仿真,经过应力恢复得到曲轴的应力分布,确定易产生裂纹的危险截面。采用1/4节点等参退化奇异单元模拟裂纹前沿应力奇异性,建立曲轴表面裂纹扩展的有限元模型,对不同深度椭圆裂纹的应力强度因子进行计算,最后拟合应力强度因子与裂纹深度的近似表达式,预测了其裂纹扩展寿命。     

U肋对接焊缝三维疲劳裂纹应力强度因子分析

U肋对接焊缝处易出现疲劳裂纹,为了分析该部位裂纹体应力强度因子对各关键参数的敏感程度及其简化计算公式,以港珠澳大桥为背景,利用ANSYS有限元软件,逐步建立了该桥正交异性钢桥面板U肋对接焊缝处三维半椭圆形裂纹体的精细化仿真分析模型,采用相互作用积分与有限元相结合的方法计算半椭圆形裂纹体应力强度因子,进行系统的参数分析,探讨了应力强度因子随各关键设计参数的变化规律,并根据有限元分析结果得出了应力强度因子计算公式。结果表明:应力强度因子对裂纹前缘位置和裂纹深度较敏感,而对顶板厚度、U肋厚度及U肋顶板宽度的敏感性较弱,基于响应面法得到的拟合公式计算应力强度因子具有较高的计算精度。     

受腐蚀桥梁钢丝的力学性能和剩余强度

制备不同腐蚀程度的镀锌钢丝,研究它们的力学性能和剩余强度,发现受腐蚀钢丝的实际抗拉强度并未降低。然而,钢丝的延伸率、扭转强度、疲劳强度大幅度下降;经测量腐蚀钢丝吸收的氢元素含量,表明并未达到发生氢脆的浓度。受腐蚀钢丝表面凹凸不平造成了钢丝延性的降低。从旧悬索桥主缆截取主缆钢丝进行研究,断裂面形态表明断裂源自腐蚀引起的疲劳而非氢脆。可以认为该钢丝开裂由腐蚀、循环应力、残余应力、氢和磨损等因素综合造成。     

危石岩主控结构面强度参数的计算方法

根据损伤-断裂机理,将损伤的影响简化为对危岩断裂强度因子的线性增大,重点研究了单裂纹和平行双裂纹的强度参数с、φ,并推导出了简化计算公式.试验表明该式能够基本满足工程需要,简单易行.     

悬索桥主缆钢丝腐蚀速率计算方法

悬索桥主缆钢丝的腐蚀严重影响着主缆的安全服役,缆内钢丝的腐蚀与其所处的缆内微环境有密切的关系,为预测悬索桥主缆内各区域中钢丝的腐蚀发展和剩余承载力,需建立主缆钢丝区域化腐蚀环境与腐蚀速率之间的计算关系。采用正交试验原理将影响钢丝腐蚀的:温度、相对湿度、Na Cl浓度、p H值、钢丝拉力5个主要因素分为两组,分别采用极化电阻腐蚀传感器和电化学工作站三电极体系两种测量手段对正交工况下的钢丝腐蚀速率进行测量。试验分析数据表明:在试验因素的取值范围内相对湿度和p H值各为两组因素中的主要因素,Na Cl浓度和p H值两个因素之间存在交互效应,温度、相对湿度、钢丝拉力之间相互独立;通过最小二乘法分别拟合得到5个因素与钢丝腐蚀速率之间的拟合计算关系;将实测的主缆内各区域的腐蚀环境统计为腐蚀环境年谱,并代入腐蚀速率与环境因素的计算关系,得到主缆各区域内钢丝的腐蚀速率和直径损失,其中主缆顶部区域腐蚀速率最高为0. 010 8 mm/a,服役20年后直径损失约为0. 02 mm即镀锌层耗损完毕,与实际桥梁检测情况吻合,服役100年直径损失将达到约1. 1 mm,将不能满足主缆的设计要求。建立的腐蚀速率计算方法为计算钢丝腐蚀量提供参考。     

桥梁缆索腐蚀镀锌钢丝的疲劳强度试验研究

为研究桥梁缆索镀锌钢丝的腐蚀程度、缺口形状对钢丝疲劳性能的影响规律,对3种腐蚀程度的镀锌钢丝进行疲劳试验,并根据腐蚀试件设计人造圆形、三角形和含切口的三角形缺口试件,采用试验和有限元法研究缺口试件的疲劳强度。结果表明:钢丝腐蚀越严重,腐蚀坑区域越集中,腐蚀坑越深,且疲劳强度随腐蚀程度加深而降低;在400MPa应力幅的循环作用下,圆形缺口试件到100万次仍没破坏;三角形缺口试件的疲劳强度低于圆形的,寿命很短;带切口的三角形缺口试件寿命更短,且与切口长度无关;三角形缺口试件的S～N曲线与实际腐蚀钢丝的S～N曲线有相似的趋势;缺口应力集中系数实测和有限元计算值表明缺口形状是疲劳强度降低的主要因素。     

危岩主控结构面强度参数的计算方法

根据损伤-断裂机理,将损伤的影响简化为对危岩断裂强度因子的线性增大,重点研究了单裂纹和平行双裂纹的强度参数c、φ,并推导出了简化计算公式。试验表明该式能够基本满足工程需要,简单易行。     

悬索桥主缆钢丝腐蚀及力学性质变化分析

主缆是悬索桥的主要承重构件,钢丝的腐蚀是影响主缆耐久性的主要因素.由于主缆内存在很多缝隙,使用过程中会在缝隙内聚积水分,从而导致钢丝腐蚀.主缆内各部分钢丝的腐蚀环境并不一样,造成腐蚀状况也不同.相关模拟试验结果表明,受腐蚀钢丝的实际抗拉强度并未降低,而钢丝的延伸率、扭转强度、疲劳强度大幅度下降.测试腐蚀钢丝吸收的氢元素含量,其浓度并未达到发生氢脆破坏的浓度,因此,腐蚀钢丝表面凹凸不平是钢丝延性降低的主要原因.     

中渡长江大桥主缆无应力长度分析及影响因素研究

主缆无应力长度是悬索桥施工控制的重要参数之一,采用通用有限元软件Midas/Civil对中渡长江大桥主缆无应力长度进行分析,并对计算结果进行修正,得到了中渡长江大桥主缆各索股无应力长度表。同时,研究了主缆弹性模量、主缆钢丝平均直径、加劲梁自重等因素对主缆无应力长度的影响。结果表明:主缆无应力长度与主缆弹性模量、主缆钢丝平均直径呈正比关系,与加劲梁自重呈反比关系,并通过线性拟合得到相关比例系数,可为同类型桥梁主缆无应力长度施工控制提供借鉴。     

腐蚀吊索钢丝力学性能退化研究

为了进行腐蚀吊索承载力评估,需要研究腐蚀吊索钢丝力学性能退化特征。利用103根袁州大桥拆除得到的腐蚀旧钢丝进行静力拉伸试验、疲劳试验和扭转试验。结果表明:在0.05的显著性水平下,腐蚀吊索钢丝的静拉力学性能参数不拒绝正态分布和对数正态分布;相比较新钢丝,即使腐蚀蚀坑尺寸很小,疲劳寿命仍然降低很多;腐蚀钢丝疲劳断口没有明显的宏观塑性变形;腐蚀钢丝的抗扭性能明显退化。     

基于断裂力学的UHPC复合拱圈加固效率研究

为研究超高性能混凝土(UHPC)复合拱圈受力机理及合理加固厚度,以某钢筋混凝土拱桥为背景,基于断裂力学机理,采用ABAQUS实体分析软件建立拱圈及加固层整体有限元模型,计算分析经UHPC、C50材料复合加固后拱圈的应力降幅水平和加固层厚度改变的应力变化规律。结果表明:基于断裂力学应力强度因子理论,采用复合拱圈加固后,带Ⅰ型裂纹和Ⅲ型裂纹主拱圈的应力强度因子分别减少36.7%和29.1%;Ⅰ、Ⅲ型裂纹主拱圈加固后,有限元计算的主拉、主压应力降幅均大于断裂力学理论分析的应力降幅,表明存在多种阻裂机理;加固层厚度增加与应力降幅呈非线性,薄层加固中使用UHPC材料的应力降幅较C50混凝土效果显著,采用厚3~9cm的UHPC薄层加固时,其加固效率较高。     

半刚性基层裂缝稳定性相关因素研究

利用线弹性断裂力学理论和有限元法计算裂纹尖端应力强度因子,并且通过线性回归分析,建立相关因素与对应裂纹尖端应力强度因子的数学模型,指出随着裂纹长度的增加、面层厚度的增大、基层模量的增长,应力强度因子是增大的,随着面层模量的增加,应力强度因子是降低的.提出适当增加面层厚度以及适当降低基层模量,是延长路面使用寿命行之有效的措施.     

混凝土箱梁桥剪应力偏载系数简化计算方法

针对当前简化计算方法在预测箱梁桥剪应力偏载系数时存在的不足以及数值方法计算过程复杂不利于推广使用的问题,该文基于箱梁桥弯曲剪应力计算的一般方法以及薄壁杆件扭转和畸变的基本理论,通过适当的简化和等效处理,提出了适用于箱梁桥截面形式、能手算完成的剪应力偏载系数简化算法。为验证该文方法的合理性及有效性,以3座已建预应力混凝土连续箱梁桥的数值模拟结果为基准,对比了该文方法、有限元法、修正偏压法以及经验系数的适用性。研究结果表明:①该文简化方法计算结果与数值模拟结果较为一致,且计算过程简单,非常适合在桥梁设计过程中对剪应力偏载系数进行快速计算;②经验系数法和修正偏压法并不适用于剪应力偏载系数的取值计算,两种方法对于剪应力偏载系数的计算结果严重偏低,且难以考虑不同截面的差异性,在设计阶段留下了腹板主拉应力超限甚至开裂的隐患。     

正交异性钢桥面U肋横梁相交处疲劳寿命的估算

为估算正交异性钢桥面U肋与横梁相交处的疲劳寿命,以某新建铁路桥节段正交异性钢桥面足尺试件为研究对象,建立两个阶段有限元模型进行了计算分析。通过应用ANSYS有限元软件建立铁路桥节段正交异性钢桥面足尺试件整体模拟,对比分析了正交异性钢桥面U肋横梁相交处的应力和位移计算值与足尺试件相应部位的试验值,发现正交异性钢桥面有限元计算值与足尺试件试验值吻合的很好。在此基础上,采用子模型技术建立了正交异性钢桥面U肋与横梁相交处带椭圆形裂纹的二阶段模型,将退化奇异单元布置在椭圆形裂纹前沿,通过位移外推得到了不同裂纹深度下裂纹尖端的应力强度因子,得到不同裂纹深度与应力强度因子的关系曲线,分析了应力强度因子随裂纹扩展深度的变化规律。基于初始裂纹尺寸合理判定,将应力强度因子数值与裂纹尺寸的函数关系式代入疲劳裂纹扩展模型Paris公式,逐步数值积分得到正交异性钢桥面U肋与横梁相交处的疲劳寿命。计算结果与试验结果进行了比较,发现初始裂纹尺寸为0.1 mm时,计算结果与试验结果最为接近。不同初始裂纹尺寸的裂纹扩展曲线表明位于U肋与横梁相交位置裂纹的疲劳寿命主要消耗在开裂初期,后期裂纹扩展寿命对疲劳寿命贡献不大,这可以解释试验中观察到疲劳裂纹萌生、发展的现象。