基于Lamb导波深度学习的钢桥面板疲劳裂纹智能监测研究

正交异性钢桥面板疲劳开裂问题突出，传统方法难以实现有效监测，可采用对钢结构裂纹高度敏感的Lamb导波信号进行裂纹监测。考虑Lamb导波在钢桥面板上的不同传播方式，建立钢桥面板有限元模型，并开展导波传播数值模拟；通过连续小波变换提取得到导波的主要特征，并运用深度学习技术挖掘导波特征中的疲劳裂纹信息，实现对钢桥面板疲劳裂纹的智能监测。结果表明：导波纵向和横向传播模式下的导波特征均能很好反映各类裂纹的影响，且2种传播模式之间可实现裂纹监测需求的有效互补；经过学习训练后的深度置信网络可实现对4 mm及以上长度裂纹的高准度识别，对裂纹深度的测量误差也在1 mm以内。研究成果为Lamb导波传感技术在钢桥面板疲劳裂纹监测中的应用提供了重要依据和方法参考。     

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。     

基于开裂应变能平衡原理的纤维水泥稳定破碎卵石增韧研究

为了降低水泥稳定碎石基层对矿石资源过多的消耗，并探究纤维对水泥稳定碎石抗疲劳开裂的增韧作用，采用破碎卵石替代石灰岩集料，基于开裂应变能平衡原理建立疲劳裂纹长度预测模型，分析纤维增韧水泥稳定破碎卵石疲劳开裂性能。选取不同长度(10、15、20 mm)和掺量(0.9、2.0、3.0 kg·m^-3)的聚丙烯纤维，设计了纤维增韧水泥稳定破碎卵石间接拉伸疲劳试验，采集应变、模量以及裂纹长度等信息。利用所提出的模型获取疲劳开裂扩展规律，并与传统基于模量衰减的疲劳开裂模型预测结果及试验实测裂纹长度进行对比分析。结果表明：基于应变能疲劳损伤模型预测的裂纹长度与实测裂纹长度更为接近，说明所提出的模型能更好地表征纤维增韧水泥稳定破碎卵石的疲劳开裂特性。损伤密度在稳定发展阶段增长速率随纤维长度的增加呈下降趋势，随纤维掺量的提高先减小后增加，表明掺量对水泥稳定破碎卵石抗疲劳开裂性能的提升更加明显，但掺量过高反而会降低纤维水泥稳定破碎卵石的抗裂性能，在长度20 mm、掺量2.0 kg·m^-3时疲劳寿命提升最佳(3倍左右),建议纤维长度取15～20 mm,掺量范围为0....     

致损荷载信息缺失在役钢桥的疲劳损伤状态重构方法

大多数在役钢桥的致损荷载信息缺失,根据不完备监测检测信息重构结构的疲劳损伤状态,是确保结构服役安全的基本前提。基于部分疲劳开裂信息反向重建等效致损荷载信息,提出了致损荷载信息缺失条件下的在役钢桥疲劳损伤状态重构方法。首先通过线性损伤累积理论和等效结构应力评估方法计算不同荷载工况下的疲劳敏感构造细节疲劳损伤累积;以钢桥服役期间疲劳损伤监测检测获得的疲劳裂纹检测结果为约束条件,将荷载工况的线性组合作为等效荷载历程,实现了在役钢桥结构的疲劳损伤状态重构;通过模型试验对所提出的疲劳损伤状态重构方法进行了验证。研究结果表明:基于疲劳裂纹损伤信息,在致损荷载信息缺失条件下重构得到的疲劳敏感构造细节损伤状态重构结果与试验结果吻合,证明了致损荷载信息缺失条件下实现疲劳损伤状态重构的可行性和所提出方法的有效性,为在役钢桥的实际疲劳损伤状态评估提供了新思路和新方法。     

铝合金车轮支架台架开裂失效分析

对两件开裂的车轮支架(编号分别为1#、2#)进行失效分析。试验过程中首先产生疲劳开裂损伤,后续过程中受较大载荷作用疲劳裂纹发生快速扩展从而形成宏观可见裂纹。通过观察、金相分析,光谱分析及电镜分析认为:1#车轮支架筋条上存在一条裂纹,开裂模式为疲劳开裂,发生开裂的原因应与筋条表面存在聚集态疏松缺陷导致其抗疲劳性能降低有关;2#车轮支架两筋条上各存在一条裂纹,二者开裂机理一致。     

转子裂纹的影响因素分析及其预防对策

文章分析了汽轮发电机组转子裂纹产生和发展的机理及影响因素,认为转子开裂的机理包括高周疲劳、低周疲劳、蠕变和应力腐蚀等,此外环境状态也起着关键作用;简要阐述了裂纹轴的一些基本特征和易产生裂纹轴的设计特点,讨论了转子裂纹的预防措施。     

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。     

钢结构桥梁全寿命建造与安全运维专栏导语

近年来,我国钢结构桥梁建设飞速发展,取得了举世瞩目的成就,但我国国情、气候条件和桥梁工程所处的历史发展阶段决定了钢结构桥梁实际性能和建造品质仍需不断提升。《交通强国建设纲要》和《交通领域科技创新中长期发展规划纲要(2021~2035年)》明确部署未来需有效提升交通基础设施高质量建养技术水平。结构高性能设计建造与安全运维作为支撑钢结构桥梁可持续发展的核心和关键,是当前桥梁工程界高度关注的研究课题。梳理该领域的新问题和新需求,总结相关新理念、新理论、新方法、新材料和新技术等方面的最新研究进展和最新科研成果,是促进钢结构桥梁高质量发展,推动该领域理论与技术创新,进而提升我国钢结构桥梁技术水平的战略需求,具有重大意义。为推进钢结构桥梁全寿命高性能设计建造与安全运维的高质量发展,引领该领域的理论进步和技术创新，《中国公路学报》编辑部邀请同济大学李国强教授,广西大学韩林海教授,长安大学贺拴海教授、刘永健教授、张岗教授,西南交通大学张清华教授作为组稿负责人,共同向该领域的知名专家、学者约稿,出版本期“钢结构桥梁全寿命建造与安全运维”专栏。本专栏共收到相关论文80余篇,最终录用16篇。研究内容集中于以下2个方面:(1)钢结构桥梁全寿命建造。主要内容包括:钢管混凝土桥塔工程应用与研究进展、螺旋箍筋约束高强混凝土柱轴心受压性能试验、纵肋-面板双面焊构造细节应力行为试验和有限元分析、钢桥板式加劲肋局部稳定试验与设计方法、横肋波纹板方钢管约束混凝土短柱轴压力学性能、大跨度斜拉桥双向曲面混合桥塔钢-混结合段受力性能、钢管混凝土节点承载力计算方法。(2)钢结构桥梁安全运维。主要内容包括: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、动荷载作用下钢结构涂装的累积损伤机理与预测模型、波纹腹板开孔对预应力钢~混凝土组合梁抗火性能的影响、碳氢火灾下钢-混组合梁破坏试验、大跨桥梁油罐车火灾模型计算方法、服役斜拉索疲劳状态的全场域在线实时监测与智慧感知、工业海洋大气环境下焊接耐候钢Q355NHD腐蚀后力学性能、致损荷载信息缺失在役钢桥的疲劳损伤状态重构问题、复杂环境下连续弯钢箱梁耐火性能提升方法。为响应国家绿色交通建设的号召,实现交通基础设施建造领域中的“减排降碳”，钢结构桥梁是当前我国桥梁工程的重要发展方向。提升钢结构桥梁全寿命高性能设计建造与安全运维,是“碳达峰、碳中和”交通基础设施领域实现战略目标的重要支撑。《中国公路学报》将持续关注该领域的国内外最新研究进展,以期为广大专家、学者及工程技术人员提拱学习、交流的平台,促进我国桥梁建设事业的高质量与可持续发展。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

正交异性钢桥面板纵肋与横隔板交叉构造细节疲劳开裂快速加固方法

为研究钢桥面板疲劳开裂局部区域引入钢或高性能材料加固构件的装配式加固方法,以钢桥面板纵肋与横隔板交叉构造细节为研究对象,采用足尺模型试验对钢桥面板纵肋与横隔板交叉构造细节疲劳性能劣化及其疲劳开裂的栓接角钢装配式快速加固相关关键问题进行了试验和理论研究;基于断裂力学探究了纵肋与横隔板交叉构造细节三维疲劳裂纹的扩展特性、疲劳寿命预测及装配式快速加固方法的加固效果。研究结果表明：纵肋与横隔板交叉构造细节的疲劳裂纹萌生于焊趾并沿纵肋腹板进行扩展,其对结构力学特性的影响范围和程度随着裂纹的扩展而逐步加剧;加固后相应开裂部位关键测点和裂尖各测点的应力应变降幅分别达57%和80%,装配式加固构件与既有结构协同受力性能良好,能够有效抑制局部疲劳裂纹扩展;数值断裂力学分析表明,加固后裂尖应力强度因子降幅达90%,可有效抑制疲劳裂纹的进一步扩展。     

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。     

钢桥面板纵肋对接焊缝疲劳裂纹扩展特性及加固方法研究

针对钢桥面板纵肋对接焊缝中典型的疲劳开裂情况,为研究萌生于该处的疲劳裂纹在后期扩展过程中所表现的特征,以及根据其扩展机理采用在纵肋底板栓接钢板的加固效果的评估,利用Ansys软件建立了纵肋对接焊缝处的疲劳裂纹有限元模型,采用相互作用积分与有限元相结合的方法得到的裂纹前缘应力强度因子来对研究对象进行分析。结果表明:纵肋对接焊缝处疲劳裂纹的扩展过程中Ⅰ型应力强度因子KⅠ与等效应力强度因子Keff之间数值差距很小,Ⅰ型(张开型)开裂模式在扩展过程中占主导地位;Ⅰ型应力强度因子KⅠ随着裂纹扩展尺寸的增加一直处于增大的趋势,由于应力强度因子是裂纹扩展速率的主要参量,疲劳裂纹扩展速率随着裂纹扩展的进行而逐渐增大;通过对纵肋底板栓接钢板加固措施的理论分析,该加固方法能够大幅改善纵肋对接焊缝疲劳裂纹前缘的应力强度因子,使疲劳裂纹的扩展得到有效控制。     

SPR联接疲劳失效的研究

自冲铆接疲劳过程包括疲劳裂纹萌生、裂纹扩展和疲劳断裂等几个大的阶段。由于疲劳裂纹扩展占了自冲铆接大部分寿命,本文主要探讨了自冲铆接疲劳裂纹扩展的机理。对于连接中没有细观缺陷的地方,疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移、裂隙和显微开裂等引起的,然后经过裂纹扩展后达到疲劳失效;有缺陷的地方也可直接经裂纹扩展后最终疲劳失效,自冲铆接的疲劳扩展往往在铆接孔上发生。提出了提高疲劳强度的方法,对工程实践具有一定的指导性。     

发动机缸盖开裂原因分析

正重型汽车发动机缸盖开裂是一个普遍问题,缸盖裂纹也是生产中的常见问题,涉及设计、铸造、热处理、原材料、机加工、试验控制等多个方面原因。缸盖开裂原因是多方面的,有设计、铸造及使用上的原因。缸盖开裂原因主要有以下几个方面:①由于浇铸铸件时,合金分布不均使金属内存在应力;②由于交变或脉动的应力作用,导致出现疲劳裂纹,疲劳裂纹逐渐发展,以瞬间裂纹为起点,在周期作用下扩大;③冷却系     

四冲程柴油发动机活塞疲劳开裂分析

针对四冲程柴油发动机活塞开裂问题,运用失效分析方法,开展了活塞断口宏观、微观分析和金相组织分析。根据断口形貌及金相组织分析,结合理论知识,分析确定了活塞开裂的主要原因,即活塞开裂属于机械应力性质的疲劳开裂,裂纹的萌生均表现出对活塞销支座边缘与薄壁之间的R角不合理的敏感性。     

缙云山隧道衬砌开裂原因与整治措施

以成渝铁路客运专线缙云山隧道为工程背景，介绍衬砌开裂情况，通过裂纹形态的观测和发展状况的监测，分析了衬砌开裂的原因，提出有针对性的整治方案，对衬砌裂纹进行了成功的补强处理。