基于超声导波的钢桥面板纵肋对接焊缝疲劳裂纹检测方法

纵肋对接焊缝疲劳开裂作为钢桥面板结构的重要失效模式之一,严重危害桥梁结构耐久和安全运营。通过引入超声导波技术,结合对接焊缝的几何特点与疲劳失效特征,建立了基于超声导波的钢桥面板纵肋对接焊缝疲劳裂纹检测方法。首先搭建了超声导波裂纹检测试验系统,并结合钢桥面板纵肋对接焊缝疲劳试验,对超声导波检测纵肋对接焊缝裂纹的适用性和准确性进行了验证。在此基础上,通过数值分析方法探究了超声导波在纵肋对接焊缝局部区域的传播机制,并进一步分析了不同焊缝与裂纹参数对超声导波传播的影响规律。研究结果表明:采用超声导波方法能够有效检测钢桥面板纵肋对接焊缝的疲劳裂纹,并确定疲劳开裂的位置;超声导波有限元理论分析与试验测试结果符合较好,验证了有限元模型的正确性;采用单面激励的方式在纵肋中形成的超声导波包括A₀和S₀模态,其中A₀模态占主要部分,超声导波传递至焊缝形成的反射波以A₀模态为主,而较深裂纹形成的反射波以S₀模态为主;不同焊缝和裂纹参数对超声导波的反射波和透射波表现为差异性的影响。所采用的基于超声导波的对接焊缝疲劳裂纹检测方法,可为钢结构桥梁疲劳损伤的检测与监测提供科学依据。     

钢桥面板纵肋顶板焊缝疲劳裂纹扩展的关键影响因素

正交异性钢桥面板疲劳问题突出，纵肋与顶板焊缝处是其关键疲劳易损部位，研究该部位疲劳裂纹的扩展过程并确定关键影响因素及其效应，有助于深刻理解其疲劳损伤机理。建立正交异性钢桥面板疲劳试验节段模型的有限元分析模型，将纵肋与顶板焊缝焊根处的疲劳裂纹近似为半椭圆形裂纹，基于断裂力学实现其扩展全过程的三维数值模拟。在此基础上研究初始裂纹的纵向位置和初始裂纹形状对疲劳裂纹扩展过程的影响，阐明扩展过程中的疲劳裂纹的形状变化，以及疲劳裂纹关键部位应力强度因子幅值的变化规律。研究表明：对于典型的正交异性钢桥面板纵肋与顶板焊缝，在纵向一段范围内，初始裂纹的纵向位置对裂纹扩展的影响不大；初始裂纹形状对裂纹扩展的影响主要体现在裂纹扩展的初始阶段，经过一段时间的扩展之后，不同形状的初始裂纹将演变为相对稳定的形状；持续一段时间后，裂纹将逐渐变得较为扁长；疲劳裂纹在深度方向上扩展超过约顶板厚度一半时，最深点的扩展速率将会减慢；深度相同的裂纹，形状越扁长时越倾向于向深度方向扩展，越不扁长时越倾向于向长度方向扩展。     

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。     

钢桥面板疲劳损伤智能监测与评估系统研究

正交异性钢桥面板作为大跨度桥梁的首选桥面板结构,实时监测并准确识别其重要构造细节的疲劳损伤程度,在此基础上预测剩余疲劳寿命,对于大跨度桥梁的服役期管理维护决策至关重要;但正交异性钢桥面板的疲劳问题具有多尺度、多模式、随机性、隐蔽性等特性,且其对结构静动力响应的影响仅限于疲劳裂纹附近的局部区域,传统的损伤识别方法难以准确识别。结合智能技术的最新发展和正交异性钢桥面板疲劳问题的基本属性,构建了其疲劳损伤智能监测与评估系统,并对其疲劳损伤指标和疲劳损伤智能评估的相关关键问题进行研究。提出了基于等效结构应力的正交异性钢桥面板多尺度疲劳损伤评估方法;建立了考虑随机因素的结构体系实时疲劳损伤评估及剩余寿命预测方法;构建了正交异性钢桥面板疲劳损伤智能监测与评估系统;基于实际桥梁结构的交通量和结构响应监测信息,对所建立的正交异性钢桥面板疲劳损伤智能监测与评估系统进行了验证。研究结果表明：在实际交通荷载作用下,顶板与纵肋连接细节的疲劳主导失效模式为焊根部位起裂沿顶板扩展,所提出的疲劳损伤评估方法的评估结果与实际结构一致,表明所提出的方法能够准确确定结构体系的疲劳失效模式;疲劳损伤智能监测与评估系统所确定的实桥疲劳损伤及剩余寿命预测结果与实际桥梁疲劳损伤开裂时间基本一致;所建立的智能监测与评估系统可为正交异性钢桥面板疲劳损伤过程和寿命评估提供理论依据及支撑,并为实桥的运营管理养护决策提供科学依据。     

基于随机车辆荷载的大跨悬索桥钢桥面板疲劳损伤评估方法

钢箱梁是大跨径桥梁常用的结构形式，其桥面板一般采用正交异性钢桥面板，在大量交通荷载反复作用下，正交异性钢桥面板易出现疲劳病害。现依托西堠门大桥的状态评估项目，基于桥梁结构健康监测系统中的动态称重系统监测数据，对实际运营车辆荷载进行概率拟合，然后基于随机车辆荷载法对正交异性钢桥面板关键疲劳细节进行疲劳损伤计算，为钢箱梁的养护管理决策提供相应的理论依据。研究表明：西堠门大桥正交异性钢桥面板的疲劳损伤和裂纹处于可控范围内。基于随机车辆荷载模型的钢桥面板疲劳状态评估方法，为西堠门大桥的钢桥面板疲劳养护提供指导，并为境内同类正交异性钢桥面板桥梁的疲劳评估提供借鉴。     

钢桥面板纵肋双面焊构造疲劳裂纹扩展特性研究

正交异性钢桥面板纵肋构造细节疲劳危害严重，修复困难，传统单面焊构造疲劳抗力不足是导致该部位疲劳开裂频发的主要原因。采用双面焊构造可望显著提高该构造细节的疲劳抗力，而初始焊接缺陷是该类构造细节疲劳抗力的关键影响因素。以双面焊构造为研究对象，基于线弹性断裂力学理论，建立多裂纹扩展模拟方法，通过多裂纹扩展试验验证该方法的可行性；在此基础上，对焊根处存在单一和多个初始缺陷条件下构造细节疲劳裂纹扩展特性进行研究。结果表明：外侧焊根单裂纹、内侧焊根单裂纹与焊根多裂纹扩展模式均为Ⅰ型开裂主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹扩展模式；多裂纹扩展特性并不显著，多裂纹在扩展初期由于临近裂纹等效应力强度因子幅值的迅速降低而转变为单一裂纹，此后其扩展规律与外侧焊根单裂纹扩展规律基本一致；3种裂纹在扩展初期裂纹形状比变化规律存在差异，但随着扩展深度的增加，等效应力强度因子幅值下降段变化规律基本一致，裂纹扩展达到一定深度后均呈扁平状且随扩展深度增加扁平状趋势更加显著；外侧焊根处的单一缺陷是控制钢桥面板纵肋双面焊构造疲劳抗力的主要缺陷，制造时应采取有效措施避免这类缺陷。     

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。     

正交异性钢桥面板疲劳问题的研究进展

为深化对正交异性钢桥面板疲劳问题的认识,从正交异性钢桥面板的疲劳性能及其评估方法、新型正交异性钢桥面板结构以及正交异性钢桥面板疲劳加固的研究进展等层面进行了分析总结,讨论了制约正交异性钢桥面板疲劳研究的主要问题,探讨了正交异性钢桥面板疲劳问题研究的现状和发展趋势。结果表明:相对于主梁和主桁等杆系结构的疲劳问题,正交异性钢桥面板的疲劳体现为由多个复杂构造细节部位的疲劳性能共同决定的空间结构疲劳问题,其疲劳破坏模式、疲劳性能、抗疲劳优化设计和疲劳开裂加固等问题更为复杂;疲劳损伤机理、新建和在役正交异性钢桥面板疲劳性能评估方法、适用的疲劳开裂加固方法,是钢桥的全寿命周期设计理论的重要基础和桥梁工程可持续发展迫切需要解决的重要研究课题;依托创新设计理念和高性能材料,发展新型结构体系和构造细节,是正交异性钢桥面板的重要发展方向;以智能化制造为代表的先进制造加工技术、以红外热成像和超声波相控阵等为代表的疲劳裂纹检测技术,为正交异性钢桥面板疲劳性能的进一步提升和疲劳裂纹检测技术的发展提供了重要支撑。     

新型半开口纵肋正交异性钢桥面板疲劳性能试验研究

为了改善常规正交异性钢桥面板的疲劳开裂问题,提出新型半开口纵肋正交异性钢桥面板结构,该结构通过在纵肋底部开口实现顶板与纵肋双面焊接,提高焊缝质量,降低纵肋与横隔板的刚度差。为验证该新型钢桥面板的疲劳性能,设计制作钢桥面板节段足尺模型进行疲劳试验,采用应力应变法、数字图像法、声发射法等技术监测应力和裂纹发展。结果表明:在1 000万次循环加载过程中,新型钢桥面板各构造细节处均未出现疲劳裂纹;与常规正交异性钢桥面板相比,新型钢桥面板纵肋与横隔板连接处的应力幅大幅降低;新型钢桥面板结构显著改善了正交异性钢桥面板的抗疲劳性能。     

设置U肋内隔板的钢桥面板疲劳性能研究

为研究U肋内隔板及其参数对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响,以某钢桁梁柔性拱铁路桥为背景,针对其钢桥面板制作2个足尺模型(试件1无内隔板,试件2设置内隔板)进行疲劳试验,研究疲劳裂纹的产生情况,采用ANSYS软件建立有限元模型,分析产生裂纹处纵肋腹板的应力分布情况,应用断裂力学方法评估钢桥面板的疲劳寿命,并分析内隔板参数对钢桥面板应力的影响。结果表明:纵肋腹板与横梁帽孔交汇处易发生疲劳裂纹,2个试件均在此处出现疲劳裂纹;设置纵肋内隔板能改善纵肋腹板与横梁帽孔交汇处的应力集中现象,有效提高纵肋腹板和横梁帽孔处的疲劳强度;内隔板厚度对钢桥面板的应力影响不大,适当增加内隔板高度差可减小纵肋腹板处主应力。     

钢板条-UHPC组合桥面结构静力及疲劳试验

应用UHPC加固正交异性钢桥面时，由于钢面板存在贯穿型裂缝导致UHPC底面抗裂无法满足要求，提出一种新型钢板条-UHPC组合桥面结构。对12个正弯矩作用下钢板条-UHPC组合桥面构件进行静力参数试验，讨论构件的破坏模式及裂缝的发展与分布；对4个构件进行抗弯疲劳试验，研究构件在不同荷载幅作用下的刚度衰减、裂缝扩展、剩余强度，并提出适用于该类构件的S-N曲线。研究结果表明：带钢板条构件裂缝宽度达到0.05 mm时，具备超过20.1~28.0 MPa的名义开裂强度，相比无钢板条构件的7.2~9.7 MPa，对UHPC的抗裂性能强化作用明显；提高钢板条宽度对于UHPC的开裂抑制作用明显，可有效降低平均裂缝间距而延缓裂缝宽度的持续扩展；提高钢板条宽度与UHPC层厚均可大幅提高组合桥面构件的刚度，使得构件在弹性极限后进入更高的强化阶段；钢板条-钢面板连接方式对于构件的破坏模式和裂缝发展无影响；荷载比S≤0.43时，构件在1 000万次疲劳作用后，刚度未现折减，裂缝宽度仅0.03 mm，可认为当S<0.43时，构件具备无限疲劳寿命；S≥0.76时，构件早期存在极高的损伤积累，当刚度开始衰减后，短期内即会达到疲劳寿命极限；对于S为0.43~0.76的构件，UHPC裂缝扩展缓慢，开裂后在短期内不会出现明显刚度衰减，剩余疲劳寿命较高；直接采用目前的疲劳寿命评估方法对4个构件的进行评估，结果差别较大；结合试验结果，提出了针对钢板条-UHPC组合构件的S-N曲线，可为类似结构的疲劳寿命评估提供参考。     

正交异性钢桥面板弧形切口及其CFRP补强的疲劳性能

横隔板弧形切口疲劳裂纹为正交异性钢桥面板的主要疲劳病害之一，为研究该细节的疲劳抗力与裂纹处治技术开展了正交异性钢桥面足尺模型疲劳试验，对横隔板光滑弧形切口、含人工缺陷弧形切口、以及CFRP单面加固含人工缺陷弧形切口的疲劳性能进行了比较研究；结合有限元方法对横隔板光滑弧形切口疲劳评估方法进行了探讨。结果表明：打磨光滑的横隔板弧形切口在标准疲劳车作用下的疲劳寿命超过5 000万次，基本不存在疲劳问题。车轮荷载横隔板弧形切口处存在显著的压应力集中，热残余应力和轮载应力幅的组合效应构成了弧形切口疲劳开裂的外部驱动力。此外，初始几何缺陷是该细节疲劳开裂的重要影响因素。光滑弧形切口的疲劳评估，可采用距切口自由边6 mm处横隔板表面的主应力作为该细节名义应力，其疲劳抗力高于AASHTO规范的疲劳等级A（CAFL为165 MPa）。外贴CFRP补强可有效阻止含缺陷弧形切口处疲劳裂纹的发展。若以裂纹长度6.5 mm作为损伤容限，单面粘贴CFRP加固含缺陷横隔板弧形切口的疲劳寿命为未加固切口的14.5倍以上；若采用双面CFRP加固寿命将提高更多，提高幅度有待进一步研究。     

大直径盾构隧道中隔墙顶裂缝模式及扩展机制研究

为揭示盾构隧道中隔墙顶部混凝土开裂机制,依托南京地铁某大直径盾构隧道区间,采用现场调研和扩展有限元分析相结合的方法,对隧道中隔墙顶部混凝土裂缝模式、分布特征以及开裂过程开展研究。结果表明： 1）区间内中隔墙顶部出现96处裂缝,模式包括Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Y型和Z型,其中Y型和Z型裂缝是Ⅰ型裂缝的亚类型。2）裂缝起裂于烟道板水平向差异位移施加的对侧,Ⅰ型和Ⅱ型裂缝的长度和末端宽度发展曲线呈现3阶段变化特征;裂缝末端宽度与长度之间为非线性关系,250 mm和225 mm是Ⅰ型和Ⅱ型裂缝末端宽度快速增长的临界裂缝长度。3）Ⅱ型裂缝中,同一工况下2条裂缝的扩展曲线基本吻合,板缝间距对曲线各阶段长度与斜率影响较大;Ⅲ型裂缝中,首条裂缝扩展过程与Ⅰ型和Ⅱ型裂缝基本一致,其余2条裂缝的扩展均具有明显的脆性特征。     

基于扩展离散元法的钢筋混凝土梁裂缝分析方法

针对传统数值模拟方法难以准确模拟钢筋混凝土(RC)梁开裂的问题,提出一种改进的扩展离散元法(EDEM)。该方法引入拉伸-剪切破坏准则,建立六边形块体模型,块体接触处存在潜在裂缝,根据EDEM计算流程,将满足破坏准则的潜在裂缝转化真实裂缝,实现裂缝的模拟。采用该方法建立二维RC梁模型,开展RC梁四点弯曲试验,结合理论计算,对其开裂模式、跨中位移及固有频率变化规律进行对比。结果表明:随着荷载增大,RC梁底部产生裂缝,当裂缝穿过梁宽度方向3/4时,向加载点方向延伸;基于RC梁跨中位移变化和固有频率连续下降的特征,可确定裂缝扩展和纵向受拉钢筋屈服导致的结构刚度降低过程;EDEM数值模拟结果与理论、试验结果基本吻合,该方法可有效模拟RC梁开裂和扩展过程。     

钢桥面沥青铺装层裂缝病害分析

为更准确地反映钢桥面沥青铺装层的裂缝尖端应力场特性及认识其扩展规律,以断裂力学为基础,研究了钢桥面沥青混凝土铺装层裂缝的形成及扩展机理。提出采用20节点等参单元、裂缝奇异单元,建立了铺装层线弹性断裂力学有限元模型,通过裂缝尖端应力强度因子的计算,研究了钢桥面沥青铺装层破坏情况对裂缝扩展的影响。研究表明,裂缝扩展的形式和速率受到铺装层开裂的长度和深度影响,应在其扩展到最不利情况前及时修补。     

初始缺陷角度对钢桥面纵肋顶板焊缝应力强度因子影响分析

初始缺陷在钢桥面板工厂焊接加工时难以避免,是影响钢桥面疲劳性能的重要内在因素。为研究初始缺陷角度对纵肋顶板焊缝疲劳开裂的影响,建立了包含典型初始缺陷工况条件下的有限元模型,分析得到了裂纹前缘应力强度因子。计算结果表明：竖向初始缺陷状态下的裂纹扩展能力最强;初始缺陷从竖向偏转至45°过程中,偏转角越大,张开型应力强度因子越小,滑开型和撕开型应力强度因子越大。断裂参数数值计算方法与分析结果可为相关钢桥面构造抗疲劳分析提供参考。     

钢桥面板纵肋对接焊缝疲劳开裂主动加固方法研究

为实现钢桥面板纵肋对接焊缝疲劳开裂的主动加固,提出基于铁基形状记忆合金(Fe-SMA)的主动加固方法,即通过栓接Fe-SMA并采用热电阻激励使其自动产生预应力实现主动加固。为验证其有效性,采用ANSYS软件建立港珠澳大桥的单纵肋节段试验模型的实体有限元模型,利用线弹性断裂力学对纵肋对接焊缝处疲劳裂纹前缘的应力强度因子进行了分析,研究了基于Fe-SMA的主动加固方法的加固效果及预应力水平对主动加固效果的影响。结果表明:纵肋对接焊缝的疲劳裂纹扩展以Ⅰ型开裂为主导,疲劳裂纹出现后,扩展速率加快,严重影响结构安全性;基于Fe-SMA的主动加固方法对未穿透型疲劳裂纹有良好的加固效果,当裂纹深度较大时,应适当提高加固件的预应力水平以增强加固效果;为保证纵肋对接焊缝细节处各种尺寸的未穿透型疲劳裂纹均达到理想止裂状态,预应力水平至少为300 MPa。     

配筋UHPC矩形梁抗扭承载性能试验与计算方法

针对配筋超高性能混凝土（UHPC）构件的抗扭性能研究严重不足的状况，进行10个不同配筋率UHPC矩形梁的纯扭试验。研究参数主要包括钢纤维掺量、纵筋配筋率和箍筋配筋率。观察或测试试件的扭转破坏过程及形态，获得裂缝开展及分布情况、失效模式、扭矩-扭率曲线、扭矩-UHPC应变曲线、扭矩-钢筋应变曲线、开裂扭矩及极限扭矩等数据，分析不同参数对其扭转性能的影响规律及其主要机理。研究结果表明：扭矩不大于无筋UHPC试件极限扭矩时，配筋构件抗扭刚度小于无筋构件；配筋及无筋试件的纯扭破坏均表现为多条主裂缝贯通，且裂缝呈空间螺旋状分布；无配筋试件形成少量斜裂缝，极限扭率较小，破坏过程迅速；配筋试件形成细且密的斜裂缝、极限扭率较大、延性更好；根据实测的极限扭矩扭率增幅情况，以及纵、箍筋屈服情况，受扭的UHPC配筋试件可分为少筋Ⅰ类构件（含无筋构件）、少筋Ⅱ类构件、适筋构件、部分超筋构件、超筋构件；钢纤维改善了UHPC抗拉特征，使得主裂缝开裂角度（裂缝与试件轴线的夹角）增加；钢纤维掺量由2.5%增加到3.5%，试件开裂扭矩和极限扭矩分别提高了23.2%和20.9%。在试验的基础上，根据扭转试件即将开裂时实测的拉压应力状态以及二维应力状态下的强度准则，得到UHPC构件开裂扭矩系数值；最后，根据试验结果得到了UHPC极限扭矩计算公式的截面抗扭系数。