路面材料疲劳损伤分析及疲劳寿命预估

针对路面结构在车辆荷载作用下的疲劳损伤演化及疲劳寿命,运用损伤力学相关理论建立梁式结构的疲劳损伤演化模型,并结合小梁疲劳试验,分析路面材料小梁试件在重复加载下的疲劳损伤演化规律及疲劳寿命。结果表明,对于沥青混合料、水泥稳定碎石、二灰土3种材料而言,当疲劳损伤演化模型指数p分别取4.0、7.2、6.3时,理论分析得到的小梁跨中挠度和疲劳寿命与试验结果比较接近;对于3种材料的小梁试件,随着荷载循环次数的增加,小梁底缘中点的损伤度逐渐增加,且增加的幅度逐渐增大,体现出非线性变化的规律;随着荷载循环次数的增加,小梁跨中挠度逐渐增加,且增加的幅度逐渐增大,与损伤度的变化规律一致。     

江阴长江大桥钢箱梁疲劳应力特征分析

为准确评估钢桥结构的疲劳损伤状态和剩余疲劳寿命,以江阴长江大桥为背景,对该桥钢箱梁疲劳裂纹产生位置进行连续疲劳应变监测,获取应变时程数据,结合雨流计数法技术建立日疲劳应力谱;分析应力幅~循环次数分布规律;研究累积损伤度分布特征,建立损伤度分布模型,计算不同车道构造细节疲劳损伤度和剩余寿命。研究结果表明:钢箱梁顶板测点、U肋与横隔板焊接末端处、弧形缺口有效截面最小处均以压应力为主,U肋以拉应力为主;应力幅累积循环次数分布服从Weibull函数分布;疲劳累积损伤度分布服从Boltzman函数分布,顶板与U肋连接处U肋腹板沿横桥向慢车道疲劳损伤较快车道损伤大,下游车道较上游车道损伤大,其中下游慢车道U肋腹板细节疲劳损伤最大。     

钢筋混凝土空心板梁疲劳损伤试验研究

为获取钢筋混凝土空心板梁的疲劳损伤发展规律,通过对1片试验梁的静载试验测得试验梁的极限承载力,以此作为疲劳试验加载幅值取值依据,对5片试验梁进行等幅疲劳加载试验.试验表明,试验梁呈现出明显的疲劳损伤三阶段(即快速发展、稳定和破坏)规律.接近疲劳破坏时除1至2条主裂缝继续扩展外,其余裂缝停止增长并逐渐闭合,最终在主裂缝处疲劳断裂.试验梁的挠度发展、钢筋与混凝土的应变发展增量在疲劳循环初期增长比较显著;随着疲劳荷载循环次数的增加,增长速率趋缓而进入相对稳定发展阶段;临近破坏时又发生较大幅度的增长.     

公路钢桥疲劳设计横向多车效应分析

为研究公路钢桥疲劳荷载横向效应,根据公路桥梁的交通特点和过桥车辆的随机性,采用已推导出的公路钢桥标准疲劳车辆荷载模型,基于Palmgren-Miner线性累积损伤准则,计算构件累积损伤度。运用概率理论分析方法,通过多辆车在同一车道上同时行驶、多辆车在不同车道上同时行驶、多辆车在不同车道上交替行驶,3种公路桥梁横桥向多车效应的情况分析,得出2、3、4车相遇概率与次数的计算方法,最终推导出公路钢桥疲劳设计时考虑横向多车效应确定横向系数的方法。给出适合我国国情的公路钢桥疲劳设计的荷载谱,以及疲劳设计时应采用的横桥向多车效应修正系数。     

沥青混合料的低频疲劳损伤效应分析

加载频率对沥青混合料的疲劳寿命影响较大,疲劳过程中的损伤随着疲劳次数的增加而逐渐增加;耗散能、塑性应变也随着疲劳次数的增加而逐渐增加;所以损伤、耗散能与塑性应变三者之间必然存在某种联系.文中根据低加载频率的疲劳试验来模拟材料的温度疲劳,运用耗散能相关理论分析沥青混合料的温度疲劳损伤,并进行损伤力学分析,说明了粘弹性材料疲劳的本质是荷载循环过程中耗散能的增加.     

基于实测应力谱的公路钢桥疲劳分析方法研究

随着我国公路钢桥服役时间的增长,为保证钢结构桥梁的结构安全,基于实测的疲劳应变数据,对公路钢桥应力谱获取及疲劳寿命分析进行了研究。通过对信号的滤波、峰值提取,剔除小应力循环及对基线漂移等处理后,可极大提高疲劳分析的效率和准确性。以上海市卢浦大桥为例,将应变时程数据处理为应力时程数据后,结合雨流计数法,得到桥梁的应力谱,并利用S-N曲线和线弹性损伤累计理论,对桥梁的疲劳寿命进行分析。     

沥青路面线性疲劳损伤特性及应力状态演变规律

为了研究沥青路面结构在车辆荷载作用下的疲劳损伤演化特性及应力状态演变规律,运用通用有限元软件ABAQUS及二次开发平台,建立考虑路面材料线性疲劳损伤的沥青路面结构数值计算模型,分析沥青路面结构在车辆荷载反复作用下路面结构损伤以及路面结构内部水平正应力的空间分布与演化规律。结果表明:路面结构损伤主要分布在双轮中心线下靠近层底的区域,随着荷载作用次数增加,基层层底与底基层层底损伤度均增加,但增加幅度逐渐减小;双轮中心线下靠近层底区域,考虑损伤的路面结构相比无损路面结构,水平拉应力均有所减小,且随荷载作用次数增加,水平拉应力逐渐减小,但减小的幅度逐渐趋缓。研究结果可用于路面维修养护中路面破坏区域及程度的判断,以及路面设计研究中设计指标的确定。     

现代公路钢桥典型细节疲劳问题分析

疲劳是导致钢桥使用寿命缩短的主要因素之一,在设计、制造、架设及后期维护中需特别注意钢桥构造细节的疲劳问题.在对疲劳荷载谱、疲劳损伤累积理论和焊接钢桥疲劳薄弱部位等分析的基础上,总结了焊接钢桥疲劳分析中需注意的一些问题.结合近些年来我国大跨径公路钢桥的建造情况,根据对部分关键构造细节所进行的疲劳试验结果,分析了几种新型结构型式和制造工艺中所存在的疲劳问题.最后总结了防止钢桥疲劳破坏的方法,指出了目前我国钢桥疲劳研究中存在的一些问题.这对有效防止钢桥疲劳破坏事故的发生,提高我国钢桥的设计和制造水平具有重要的意义.     

钢桥桥面沥青铺装层应变变化规律研究

在钢桥模型上进行SMA和AC沥青混合料铺装层直道疲劳试验,研究重复加载过程中应变变化规律,分析了桥面铺装层疲劳开裂性能。     

水泥稳定碎石力学特性研究

为研究水稳碎石材料的力学特性,通过简单加载试验、逐级加载试验和循环加载试验,分析了加载方式、应力水平、龄期对其抗压强度、割线模量、破坏应变和累积应变变化规律的影响。结果表明:水泥稳定碎石是典型的弹塑性材料,应力依赖性明显,对荷载变化敏感,弹性和塑性的临界值为(0.7~0.8)σmax;随着应力水平的增加,简单加载和逐级加载所提取的不同龄期下割线模量先增加后减小,出现峰值所对应的荷载级别随龄期增长而增加,且循环加载和逐级加载累积应变出现突变;龄期增加,3个加载试验所提取的割线模量和抗压强度增长明显,而破坏应变减小;破坏应变大小顺序为循环加载>逐级加载>简单加载。     

基于能量法的组合梁桥拥堵车辆怠速振动所致疲劳损伤评估

针对拥堵车辆怠速振动造成的城市桥梁疲劳失效风险，利用ABAQUS建立车辆拥堵荷载作用下的车-桥耦合有限元模型，通过动力响应分析和应力循环计数，采用能量法以总应变能密度为损伤参量，计算4种拥堵工况下城市组合梁桥钢箱构造细节的疲劳累积损伤，并通过与规范标准疲劳车畅通运行状态时的损伤对比，综合评估车辆拥堵对城市组合箱梁桥疲劳性能的影响。结果表明：城市组合梁桥在车辆拥堵荷载作用下弹性应变能在总应变能密度值中占主导地位，其疲劳行为是典型的高周疲劳，疲劳损伤主要来自于怠速振动初始的3~5个高应力幅循环；钢箱底板-腹板焊缝构造细节的疲劳累积损伤为母材的2~5倍，焊缝是疲劳性能较薄弱的部位；当典型拥堵车流只包含小汽车及公交车时，拥堵状态下的疲劳损伤可偏于安全地采用1辆标准疲劳车怠速振动进行评估，但在某些未限制货车通行路段，车辆拥堵造成的疲劳损伤显著增大；由于发动机怠速振动动力效应致使等效应力幅增大65%，1辆标准疲劳车1次拥堵作用下的疲劳损伤是畅通状态下疲劳车单次过桥产生损伤的14.7倍，构造细节疲劳破坏风险增大；考虑车辆拥堵影响后疲劳累积总损伤增大，疲劳损伤受拥堵工况、交通量及拥堵时长影响，日均拥堵4 h情况下，考虑拥堵后的疲劳损伤可达不考虑时的3.5倍。该文可为类似桥梁疲劳评估提供借鉴参考，为保障既有城市钢桥的安全运营提供一定的基础理论支撑。     

整体桥面结构连接细部模型双向受拉疲劳试验研究

南京大胜关长江大桥主桥为六跨连续钢桁拱桥,采用整体桥面板结构.制作钢桥面板和主桁下弦杆节点板连接细节足尺模型,分3个阶段进行疲劳试验.每个阶段疲劳试验完成后,以该阶段试验荷载上限进行静力试验.ANSYS分析结果显示,模型设计及加栽满足模拟要求,试验加载能够反映实际结构的受力状况.静力试验结果表明,各级荷载作用下模型均处于弹性阶段,卸载后基本没有残余应力.疲劳试验结果表明,在各加载循环次数下试验时,没有产生因为疲劳损伤影响应力重分布的现象;按给定的计算应力幅加载作用下,常幅加载寿命大于200万次;疲劳抗力大于试验设计荷载作用下的双向应力幅;连接细部具有足够的抗疲劳能力.     

钢桥面UHPC铺装层的黏结性能试验研究

在钢桥面的铺装设计中,由于标高控制和自重控制要求,普通混凝土铺装层因厚度大、自重高难以满足设计要求,因此亟需薄厚度、高性能的铺装层,而超高性能混凝土(UHPC)是潜在可满足设计要求的铺装材料.但在循环交通荷载下,UHPC铺装层与钢板之间的黏结作用尚缺乏试验研究.研究开展了五点弯曲疲劳试验和剪切试验,研究UHPC钢桥面铺装层的黏结特性和抗疲劳破坏能力,并基于数值计算结果,将疲劳加载次数转换为标准轴载作用次数.研究发现,在标准车辆轮载作用下难以快速对试样产生损伤.即使试样黏结界面边缘开裂,稳定不变的变形也暗示裂缝并未扩展至内部,即试样内部损伤有限,仍然具有良好的承载力.含有栓钉的UHPC-钢桥面黏结界面的等效抗剪切强度为12.4 MPa左右,其破坏形式为栓钉的剪切破坏.UHPC与钢板之间协同作用十分显著,铺装后相对于无铺装的钢板刚度提升1倍左右.     

钢筋混凝土桥面板疲劳数值分析方法

为了模拟车辆荷载作用下桥面板的疲劳损伤退化过程,提出了针对公路钢筋混凝土桥面板疲劳失效过程的数值分析方法。首先在各国相关试验与研究的基础上,通过编制合理的荷载谱,将复杂的车辆荷载进行简化等效;然后提出了高周循环荷载下受弯构件中钢筋与混凝土材料的疲劳本构关系,基于ABAQUS软件对一试验板建模分析,验证了疲劳本构关系的正确性;最后,对某实际钢筋混凝土桥面板进行疲劳数值分析与疲劳寿命预测。结果表明：该桥面板的抗疲劳寿命满足要求;所建立的材料疲劳本构关系能够有效模拟钢筋和混凝土在循环加载过程中力学性能的衰减规律。     

公路钢斜拉桥索梁锚固结构疲劳荷载的确定

针对我国公路桥梁设计规范暂无疲劳荷载规定的情况，在国内一些城市和国道路段车辆荷载统计资料的基础上，参照苏通大桥工可交通量的预测和公路工程技术标准，利用国外规范和疲劳累积损伤理论，对索梁锚固结构疲劳试验荷载的确定方法和原则进行了研究。     

公轨两用钢桁桥轨道横梁与整体节点连接头的疲劳荷载

为评定公轨两用钢桁桥下层轨道横梁与焊接整体节点连接头在交通荷载作用下的疲劳损伤累积，对该细节在桥梁设计寿命内车辆荷载所产生的疲劳荷栽谱的计算方法进行了研究。在对桥梁的车辆荷载进行分析的基础上，参照各国相关规范，建立了代表桥梁设计寿命内真实运营状况的疲劳荷载模型，并通过全桥三雏有限元分析模拟计算该连接细节所承受的荷载历程。依据疲劳损伤累积理论，确定了公轨两用钢桁桥轨道横梁与整体节点连接头验证性疲劳试验的试验荷栽。结果表明：该连接细节的疲劳损伤荷载基本不受上层汽车的影响，主要取决于轻轨，可以通过直接将轻轨计算结果乘以一定的提高系数得出。     

整体式桥台-H形钢桩-土体系抗震性能试验

整体桥因其全周期寿命长、整体性好和养护费用低等特点，得到了广泛应用，但对其在地震荷载作用下的受力特点和变形规律还缺乏深入研究。基于此，以某整体桥为背景，制作桥台-H形钢桩试验模型，开展整体式桥台-H形钢桩-土体系抗震性能拟静力试验研究，分析桥台-H形钢桩的破坏模式、滞回性能、骨架曲线、水平变形和桥台转角等变化规律。试验结果表明：H形钢桩出现较大的负向残余变形，但负向加载下H形钢桩未出现破坏；台后、台底及桩顶土体均出现大范围脱空；试件的等效黏滞阻尼比约为0.35，具有良好的耗能能力；正向加载下试件的弹性抗弯刚度是负向的12.6倍，最大承载力是负向的3.85倍，台后土对试件的刚度和承载力影响显著；破坏时试件刚度减小至初始刚度的33%，退化不显著；相比位移延性和割线刚度，采用环线刚度分析其抗震性能更为合适，改进后的割线刚度能更准确地反映试件的刚度退化；考虑整体和局部累积变形的影响，大加载位移作用下，桩身出现较大的负向整体累积变形，且桩身沿深度方向多处出现局部累积变形；加载过程桥台仅发生刚体位移，正向转角逐渐增大，负向转角先增大后减小再转为正向倾斜。研究发现整体式桥台-H形钢桩-土体系拥有优越的抗震性能。     

基于有限元方法的复合钢混凝土桥梁热点应力分析研究

通过建立复合钢混凝土疲劳危险部位焊接构件的三维有限元模型,围绕桥梁交通荷载作用下局部热点应力和疲劳损伤累积进行分析,获得合适的在役钢-混凝土桥梁关键焊接构件的疲劳损伤评价方法。研究结果表明:采用大桥有限元模型进行动力特性分析,模型计算固有频率和实测值最大误差在10%以内,计算的动力特性和设计测试阶段特性相符;钢混凝土桥梁纵向加劲桁架细节热点应力区域出现在上下弦杆与对角撑、盖板连接处,与焊缝构件最大疲劳损伤位置一致,主梁框架热应力出现在靠近公路外侧梁腹板连接处;通过线性米勒准则获得的疲劳损伤累积呈线性变化,在高周疲劳损伤初期损伤率增长较慢,后期较快,适用于在役结构疲劳寿命评价。     

竖转钢-混凝土组合拱桥PBH剪力件疲劳性能试验

针对钢箱预制、立柱拼装、转体成拱的快速施工竖转钢-混凝土组合拱桥,基于PBL提出了新型PBH剪力件。以PBH剪力件的疲劳力学性能为研究目标,开展了一组11个试件的高周疲劳试验。分析不同箍筋直径、开孔直径PBH剪力件的疲劳破坏模式和损伤演化规律,并与PBL剪力件进行比较。结果表明：PBH疲劳破坏模式为钢板开孔内混凝土在循环荷载作用下的损伤累积,裂缝发展过程中发生裂缝尖端钝化,混凝土榫局部粉末化并向下迁徙导致了钢箱与混凝土界面滑移累积并最终破坏。解剖发现孔内混凝土粉末化,与之对应的PBH静载破坏模式为混凝土榫处主裂缝在荷载增加过程中扩展延伸,混凝土榫劈裂,裂缝反射至表面导致试件破坏,二者区别明显;PBH疲劳损伤演化曲线可分为3个阶段：由黏结力和摩擦力损伤主导的损伤弹塑性阶段、由孔内混凝土裂缝积累破碎主导的损伤累积阶段以及变形累积失控后的损伤破坏阶段,损伤弹塑性阶段约占整个疲劳寿命的10%,损伤累积阶段占全部疲劳寿命的70%以上且滑移量增加缓慢,损伤破坏阶段累积滑移量急剧增加,裂缝发展,剪力件随即发生疲劳破坏,疲劳破坏表现出明显的塑性特征。PBH与PBL损伤演化规律总体相似,但PBH较PBL有更加显著的第2阶段,即疲劳破坏损伤累积过程,表明PBH剪力件在疲劳破坏过程中的塑性破坏性能更佳。