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。     

疲劳荷载模型Ⅲ下的公路钢结构桥梁疲劳性能分析

结合《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)疲劳荷载模型Ⅲ,以某城市高架分离式双箱钢箱梁正交异性桥面板为研究对象,建立其正交异性桥面板的精细化分析模型。通过有限元方法得到U肋疲劳敏感细节在疲劳荷载模型Ⅲ下的应力分布,验算了其疲劳强度。分析结果表明:正交异性钢桥面板疲劳强度满足抗疲劳设计要求。在疲劳荷载模型Ⅲ作用下,悬臂板处U肋疲劳细节的等效应力幅较箱内和横梁处大,悬臂板处U肋构造细节相对其余位置更容易发生疲劳损伤,为钢箱梁抗疲劳设计验算的控制部位。同时,钢箱梁大悬臂下翼缘疲劳应力幅值较大,设计时需引起重视。     

军山长江大桥钢-UHPC组合桥面改造效果研究

武汉军山长江大桥原桥面铺装为双层SMA,随着车流量的增加和超重车辆的影响,运营多年后该桥正交异性钢桥面板出现疲劳裂缝。为处治桥面板隐性裂缝,分别对上游侧进行了钢桥面冷拌环氧树脂桥面铺装及桥面板焊接施工,对下游侧进行钢-UHPC组合桥面铺装改造。为评估钢-UHPC组合桥面的改造效果,基于已建立的运营期安全监测系统及有针对性的增布动应变测点,对随机荷载作用下桥梁上、下游侧桥面板的局部应力进行测试。结果表明:在下游侧的车辆数量和轴重均高于上游侧的情况下,下游侧测点的等效应力幅大多小于对应的上游侧,表明钢-UHPC组合桥面铺装明显改善了该桥正交异性钢桥面板的疲劳应力。     

欧美规范中公路桥梁正交异性钢桥面板抗疲劳设计对比分析

为给我国公路桥梁正交异性钢桥面板抗疲劳设计提供参考,从疲劳荷载、疲劳细部分类及疲劳验算公式等方面对比AASHTO、Eurocode 3规范,并分别应用2本规范对我国一座公路桥梁的正交异性钢桥面板进行疲劳验算.结果表明:针对公路桥梁正交异性钢桥面板的抗疲劳设计,AASHTO、Eurocode 3两本规范在设计思路、细部分类、验算公式等方面基本一致,参考其对我国公路桥梁正交异性钢桥面板进行抗疲劳设计是可靠的,鉴于Eurocode 3对正交异性钢桥面板的疲劳细部规定更全面,参考Eurocode 3对公路桥梁正交异性钢桥面板进行抗疲劳设计较为合适.     

钢-超高延性混凝土组合桥面结构力学性能分析及疲劳试验

为改善当前大跨径钢桥钢箱梁桥面板普遍存在疲劳开裂的现状,提升钢桥面铺装体系正常服役寿命,提出了一种钢-超高延性混凝土组合桥面方案:组合桥面主要由正交异性钢桥面板、配筋超高延性混凝土层和沥青磨耗层组成,钢桥面板上表面焊接栓钉,并设置防水黏结层,超高延性混凝土层与钢桥面板间通过栓钉相连,超高延性混凝土层上表面采取表面粗糙处理,并设置防水黏结层,确保与其上的沥青磨耗层之间形成可靠连接。以虎门大桥钢箱梁为背景,采用有限元软件Abaqus对所提出的组合桥面铺装体系进行了力学性能分析。分析结果表明:采用组合桥面铺装体系,可明显提升正交异性钢桥面铺装体系的整体刚度,使得正交异性钢桥面板关键受力部位的应力水平降低25%～45%,显著延长钢桥面板疲劳寿命。制作了足尺钢箱梁子结构试验模型并开展了疲劳试验研究,疲劳试验结果表明:在规范规定的疲劳车荷载及高于疲劳车荷载的疲劳荷载作用下,累计经历400万次疲劳试验后,组合桥面铺装结构铺装层和钢桥面板均未出现破坏迹象,采用钢-超高延性混凝土组合桥面,可有效延长钢桥面铺装结构使用寿命。研究成果为既有存在病害的钢桥钢箱梁承载力的恢复甚至提高,乃至新建钢桥的桥面铺装提供了一种有益的选择方案。     

施工临时车辆荷载对钢桥面安全影响研究

以沪瑞高速公路北盘江大桥为工程背景,利用Ansys建立了正交异性钢桥面板的空间结构模型,针对三类不同临时车辆荷载工况,对正交异性钢桥面板的作用进行分析,给出临时车辆作业的限制条件,确保了施工过程中桥面板的结构安全.     

正交异性钢桥面板与U肋焊接处应力分布规律研究

为了分析正交异性桥钢面板中桥面板与U肋焊接部位应力分布规律,以宁波市象山港大桥钢箱梁为研究背景,利用Midas Civil及Midas FEA建立全桥整体及钢箱梁局部节段有限元模型,采用现行《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)中的疲劳荷载车模型,依次计算焊脚处桥面板、U肋的纵横向应力及其应力幅,并与现场实测数据进行比较和分析。分析结果表明:疲劳正应力计算结果满足规范要求;疲劳荷载作用下,焊脚处桥面板、U肋纵向应力的交变循环作用对正交异性钢桥面板的疲劳寿命影响更为显著,而横向应力对焊脚处裂缝的产生及发展有一定影响;局部轮压对桥面板应力的影响较大,应以最不利布置(HX2)进行设计计算。     

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。     

超重车辆作用下正交异性钢桥面板细部受力分析

我国公路桥梁在运营阶段车辆超重超速的现象十分普遍,严重影响了桥梁结构的耐久性。文中结合北盘江特大桥工程实例,进行了正交异性钢桥面板在重载作用下关键受力部位的应力、变形分析,并针对性地进行了移动荷载下桥面板细部动力响应分析,就超重超速对正交异性钢桥面板的受力性能影响进行了初步评估。     

超载对正交异性钢桥面板疲劳寿命影响研究

我国公路运输超载现象普遍,超载程度严重。当前设计规范尚未对公路桥梁疲劳荷载谱做出规定,在对正交异性钢桥面板进行疲劳验算时,很难求得真实的等效应力幅值。基于国内道路观测统计得出的货车轴重,针对国内实桥应用较多的正交异性钢桥面板构造,分析了超载条件下主要构造细节应力循环特征,依据Miner线性累积损伤理论,计算了轴重与相应出现概率对正交异性钢桥面板主要构造细节等效应力幅值的影响,得出了货车超载对钢桥面板疲劳寿命的折减程度。     

基于应变监测数据的钢桥面板疲劳寿命评估研究

联合结构长期应变监测数据和线弹性断裂力学提出正交异性钢桥面板的疲劳寿命评估方法,以坝陵河大桥钢桥面板的焊接细节为对象开展应用研究.采用Paris方程建立了疲劳极限状态方程,并基于应变监测数据建立桥梁应力幅谱△σi～ni,计算等效应力幅△σe,对正交异性钢桥面板疲劳寿命进行评估,为钢桥面板的维护提供依据.     

崇启大桥环氧沥青混凝土铺装对钢桥面板疲劳应力幅的影响研究

崇启大桥是目前我国建设的最大跨度连续钢箱梁桥,采用了正交异性钢桥面板和环氧沥青混凝土铺装层。由于铺装层分散了车辆的轮载,使正交异性钢桥面板主要构造细节在使用寿命内的等效应力幅值相应折减,而国内相关规范未对这一折减作用做出规定。建立了崇启大桥正交异性钢桥面板及其铺装层的有限元模型,计算了不同环境温度下正交异性钢桥面板主要构造细节的应力循环特征,依据Miner线性累积损伤准则,分析了环氧沥青铺装对等效应力幅的折减作用,得出了应力幅折减系数。     

基于轮式滚动加载的正交异性钢桥面板疲劳试验设计

能模拟车辆荷载通过效应的疲劳模型试验是研究正交异性钢桥面板疲劳性能的有效手段。利用国内首台自主研发的桥面结构专用轮式滚动疲劳加载装置,以广东虎门二桥坭洲水道桥为依托工程,研究了基于轮式滚动加载的正交异性钢桥面板疲劳试验设计问题。首先,根据实桥交通需求分析,合理确定实桥疲劳荷载谱;其次,计算疲劳敏感部位热点在疲劳荷载谱各车型作用下的应力历程,采用雨流计数法计算应力谱,根据Miner疲劳损伤累积理论转化为每种车型通过1次的等效应力幅,结合交通量预测计算实桥各构造细节在设计寿命期内的疲劳累积损伤;最后,根据设备性能参数,分别计算橡胶轮双轴加载和钢轮单轴加载下试验模型各细节的等效应力幅,通过与实桥钢桥面板各细节的疲劳累计损伤等效,从而确定试验加载轴类型、加载水平以及对应各细节的等效作用次数。研究成果对改进正交异性钢桥面板疲劳试验设计有重要参考意义。     

正交异性钢桥面板疲劳寿命设计优化研究

采用有限元计算方法,对某大桥钢桥面铺装在采用钢-UHPC超轻型组合梁优化前后的钢箱梁节段正交异性钢桥面板的主要连接接头进行了分析,研究了在轮轴荷载作用下主要疲劳裂纹的控制应力的分布特征及应力影响面,建立了较全面的荷载作用与应力效应的对应关系,并由此推算出实桥在设计疲劳荷载作用下的应力历程及相应的应力谱。针对设计疲劳寿命周期内的正交异性钢桥面板的各构造细节,根据Miner疲劳损伤累积理论计算出相应的疲劳累积损伤,并对其疲劳寿命进行评估。采用普通钢桥面铺装时,靠近顶板与U肋、U肋与横隔板连接处的主要疲劳裂纹,其疲劳累积损伤度在设计使用寿命周期内均大于1,存在较高的疲劳开裂风险。经钢-UHPC超轻量组合桥面板设计优化后,顶板与U肋连接处抗疲劳性能改善效果显著,在大桥设计寿命周期内可满足抗疲劳设计的使用要求;但设计优化对横隔板-U肋-顶板连接处的抗疲劳性能影响有限,在设计使用寿命周期内,疲劳裂纹C.5、C.6、C.6.1、C.7仍存在较高的开裂风险,需引起重视。     

大纵肋正交异性组合桥面板疲劳性能研究

在大纵肋正交异性钢桥面板结构中引入混凝土结构层,通过栓钉将钢桥面板与混凝土结构层组成新型大纵肋正交异性组合桥面板,是从结构体系层面提高大纵肋正交异性钢桥面板疲劳性能的有效途径。基于有限元数值分析,明确了大纵肋正交异性组合桥面体系对于钢桥面板典型疲劳易损细节的应力幅改善效果;采用足尺节段模型试验对结构的关键疲劳易损细节进行了疲劳试验研究,验证了关键疲劳易损细节在设计寿命期内的抗疲劳安全性和混凝土结构层在疲劳荷载作用下的耐久性,在此基础上对关键疲劳易损细节的疲劳损伤演化及结构体系的疲劳破坏模式进行了试验与理论研究。研究结果表明:大纵肋正交异性组合桥面板结构体系能够显著降低U肋与顶板以及U肋与横隔板连接细节的应力幅,横隔板开孔部位是控制钢桥面板疲劳性能的关键构造细节;设计寿命期内钢桥面板疲劳性能与混凝土结构层的疲劳耐久性均满足要求,且具有一定的安全储备;混凝土结构层负弯矩区疲劳开裂对钢桥面板各疲劳易损细节疲劳性能的影响不显著;大纵肋正交异性组合桥面板的疲劳破坏模式表现出典型的两阶段特征,栓钉发生疲劳断裂并导致组合效应局部劣化,进而加速钢桥面板关键疲劳易损细节的疲劳损伤累积速度并最终发生疲劳开裂。     

正交异性钢桥面板疲劳验算规范对比

在车辆荷载作用下,正交异性钢桥面板的疲劳开裂对结构的疲劳性能以及使用安全性能具有较大的影响,钢桥面板中复杂的焊接连接细节成为裂纹出现的集中区域。依据在正交异性钢桥面板方面研究相对成熟的AASHTO、Eurocode和日本规范,结合我国公路钢结构桥梁设计规范(送审稿);通过数值分析得到疲劳敏感细节在各国标准疲劳车辆荷载下的应力响应,并按照规范对细节的疲劳强度进行验算。验算结果表明,疲劳细节的应力幅对轴重比较敏感;顶板与U肋细节的纵向影响线比横隔板与U肋焊接处的影响线短;顶板与U肋处细节和横隔板挖孔处细节更容易发生疲劳裂纹。     

正交异性桥面板钢箱梁疲劳设计和疲劳评估规范的现状研究

该文首先对目前国内外公路、铁路钢桥设计规范的疲劳设计方法和疲劳荷载谱予以回顾。针对正交异性桥面板钢箱梁疲劳受力特点分析了疲劳设计应注意的问题,并将我国焊接桥在发展过程中的主要疲劳研究成果作了概述。最后提出正交异性桥面板钢箱梁疲劳设计亟待解决的问题,提供给钢结构同行参考。     

U肋与横隔板焊接构造细节疲劳强度研究

为研究在车辆荷载反复作用下,正交异性钢桥面板U肋与横隔板焊缝构造细节处的疲劳强度是否满足疲劳设计要求,以九江长江公路大桥钢箱梁结构为研究对象,设计疲劳试样进行疲劳试验,得到了用于该构造细节处疲劳寿命评估的失效概率分别为50%及2.3%的应力幅~循环次数曲线,参照Eurocode 3规范,将疲劳曲线延长至长寿命区,提出适合该细节处的疲劳设计曲线及方程。依据实测车辆荷载谱及简化的有限元模型,选择合理的加载方式与荷载冲击系数,计算得到关注点的应力~时间历程曲线,并评估该构造细节的疲劳寿命。结果表明,在实测荷载谱作用下,该细节处最大应力幅值为24.49MPa,小于疲劳截止限,其疲劳强度满足疲劳设计要求。     

新型大纵肋正交异性组合桥面板力学性能研究

为了解新型大纵肋钢-超高性能混凝土(UHPC)正交异性组合桥面板对传统正交异性钢桥面板的受力性能的改善效果,以港珠澳大桥深水区非通航孔6×110m连续钢箱梁桥为背景,建立全桥有限元模型,对2种桥面方案的静力性能进行对比,建立节段有限元模型,对比2种桥面方案U肋与顶板连接焊缝处的疲劳性能,并分析U肋开口宽度和UHPC结构层厚度对大纵肋钢-UHPC正交异性组合桥面板疲劳性能的影响。结果表明:2种桥面方案下钢箱梁控制点的位移和应力相差不大,所提出的大纵肋钢-UHPC正交异性组合桥面板在中等跨度连续梁桥中具有较好的适用性;大纵肋钢-UHPC正交异性组合桥面板的疲劳性能显著优于传统正交异性钢桥面板;增大U肋开口宽度会导致U肋与顶板连接焊缝应力幅增加,增加UHPC结构层厚度能显著降低U肋与顶板连接焊缝应力幅。     

基于时变可靠度理论的正交异性钢桥面板疲劳分析

构建了一种时变可靠度理论分析框架,并以某大跨桥梁采用的正交异性钢桥面板截面作为工程背景进行疲劳分析,依次建立考虑多级荷载作用下的剩余强度模型,并按照剩余强度等效原则简化变幅应力,在此基础上,考虑交通荷载模型车质量随时间增长变化,建立时变疲劳可靠度理论分析系统。以某斜拉桥跨中节段作为工程背景,说明了整个时变可靠度分析流程,通过计算表明:正交异性钢桥面板以时变疲劳可靠度理论进行分析时,计算得到时变疲劳可靠度随着时间不断减少,给养护以及设计工作者进一步参考。