在役桥梁拉吊索腐蚀-疲劳损伤与破断机理分析

拉吊索(悬索桥的吊索、斜拉桥的斜拉索以及中、下承式拱桥的吊索)是拉索桥梁的重要承重构件,其服役可靠性直接影响这些桥梁的安全性。以拉吊索病害特性为导向,通过有限元分析、索体钢丝的腐蚀-疲劳模拟试验,结合理论分析研究拉吊索的损伤与破断机理,以期为拉吊索的设计、养护以及检测提供参考。首先通过有限元分析发现若下锚固区发生0.001 13 rad的转角,该处产生的弯曲应力就有18.8 MPa,研究下锚固区索体钢丝的病害不能忽视弯曲应力的影响,弯曲应力也是造成长拉吊索发生破断病害的因素之一;接着以近5 a中国西南地区雨水中形成酸雨的离子浓度的平均值为基准值,在盐雾腐蚀箱中模拟酸雨环境,将直径7 mm抗拉强度为1 860 MPa的镀锌钢丝在盐雾腐蚀箱中模拟酸雨腐蚀环境与交变应力耦合作用下索体钢丝的腐蚀-疲劳试验,研究其腐蚀-疲劳损伤机理。研究表明:服役的桥梁拉吊索在腐蚀环境和交变应力耦合作用下发生腐蚀-疲劳损伤,腐蚀-疲劳致使构件腐蚀加剧,塑性降低,脆性增强,发生脆性破断,若在设计、检测、评估分析中对结构的腐蚀-疲劳损伤考虑不充分就会有重大安全隐患;弯曲应力也是造成长拉吊索发生破断病害的因素之一;在相同的腐蚀环境下,随着时间的增加,交变应力工况试件的腐蚀程度最大,其次是静态应力工况,无应力工况下的腐蚀程度最小;试件发生腐蚀-疲劳损伤后,其破断应力约为无腐蚀试件的60%,断后伸长率降低得更多,约为无腐蚀试件的40%,断口表现为脆断;发生腐蚀-疲劳损伤的拉吊索钢丝,若有复杂空间应力的作用,更易发生脆断。     

钢绞线腐蚀时变效应对预应力混凝土梁桥影响研究

基于混凝土碳化理论分析预应力筋腐蚀开始时间,提出预应力钢绞线腐蚀截面积退化时变模型。通过已有试验成果对比研究,提出由腐蚀电流密度和时间表达的腐蚀钢绞线力学性能退化时变模型,包括名义极限强度、极限延伸率、名义弹性模量时变模型;并推导建立由于钢绞线腐蚀引起的预应力损失时变模型。在此基础上,以预应力混凝土空心板桥为例,分析预应力钢绞线腐蚀后其梁体应力、抗弯承载力和可靠度等的经时变化。研究表明:预应力筋是预应力混凝土梁桥性能表现的重要参数,一旦发生腐蚀,其应力水平、抗弯承载力及可靠度将急剧下降,在短短几年内就可能危及桥梁的安全。     

腐蚀桥梁缆索的氢脆和腐蚀疲劳研究

既有悬索桥和斜拉桥的缆索容易遭受腐蚀,影响桥梁安全.通过对不同腐蚀程度的桥梁缆索钢丝试验研究其力学性能和剩余强度.静力试验结果表明:实际腐蚀钢丝的抗拉强度与腐蚀程度关系不大,但当镀锌层消失钢丝开始腐蚀时,其伸长率急剧降低.由于中度腐蚀钢丝的氢累积含量在未受拉和受拉情况下都不大于0.2 ppm,所以当氢含量远小于脆断临界浓度0.7 ppm时,对钢丝张拉没有影响,表明氢脆可能不会发生.疲劳试验结果表明:当仅有镀锌层发生腐蚀时,疲劳强度变化不大;当腐蚀进入镀锌层下的钢材时,疲劳强度会显著降低;潮湿环境下钢丝的疲劳强度与干燥环境下相比会进一步降低.既有悬索桥的断裂钢丝断面分析表明:其断裂面和腐蚀疲劳断面相同,不是氢脆断裂.     

人工气候下腐蚀预应力钢绞线的力学性能研究

为了研究腐蚀预应力钢绞线的力学性能,通过人工气候试验箱获取了腐蚀预应力钢绞线样本,进而开展静力拉伸和电镜扫描试验,分析腐蚀对预应力钢绞线屈服强度、极限强度、极限应变及弹性模量的影响,探讨腐蚀预应力钢绞线微结构和断口变化特征,并在此基础上建立了腐蚀预应力钢绞线本构关系模型。研究结果表明:腐蚀对钢绞线力学性能的影响随着腐蚀程度而逐渐发生改变。在腐蚀率较低的情况下,钢绞线的极限应变随腐蚀率的增加近似地线性降低,极限强度轻微下降,腐蚀对钢绞线弹性模量与屈服强度影响较小;当腐蚀率增大到临界值后,钢绞线的极限应变减少较大,具有明显脆性失效特征,但对弹性模量与屈服强度的影响依然较小。钢绞线轻度腐蚀时,其本构模型可用弹性-硬化双线性模型表征,当腐蚀率超过临界值时,其本构关系转变为单线性模型。     

腐蚀预应力混凝土梁桥抗弯承载能力计算方法研究

为了评估预应力钢绞线腐蚀后的预应力混凝土梁桥工作性能,对除冰盐环境下先张法和后张法施工的预应力混凝土构件的抗弯承载能力计算方法进行研究。通过考虑多个影响因素,引入拉应力水平对钢绞线腐蚀速率影响系数kσ,建立先张法预应力混凝土结构的碳化深度预测公式;探讨后张法考虑腐蚀发生前混凝土保护层、波纹管及管内水泥浆结硬体对初始腐蚀的延迟影响;提出腐蚀预应力钢绞线的有效截面面积及腐蚀后预应力钢绞线强度计算公式,并在现行桥涵设计规范的基础上,建立预应力钢绞线腐蚀后的结构抗弯承载能力计算方法。最后,以郑州市航海路连接线跨南水北调总干渠的南水北调大桥辅线桥为例,对其在服役期内因筋体腐蚀引起的承载能力退化进行分析,验证该预测方法的可行性。     

苏拉马都跨海大桥主桥斜拉索断索与换索状态研究

苏拉马都跨海大桥的拉索全部布置在梁体外部,且处于高应力状态,其处于海洋腐蚀类环境,对锈蚀比较敏感,斜拉索的防护十分重要,关系到斜拉桥的使用寿命和使用质量.使用外包PE进行防护,在设计阶段充分考虑了斜拉索断裂后对桥梁的影响,确保桥梁在不中断交通的情况下进行换索,以保证桥梁的正常运营.     

钢绞线斜拉索一次安装逐根张拉力不均匀系数影响分析

钢绞线斜拉索在现代斜拉桥建设中得到越来越广泛的应用,其施工方法一般是采用小吨位千斤顶张拉,单股钢绞线的超张拉控制是钢绞线斜拉索施工的关键。基于无应力状态法和悬链线有关理论,在编制钢绞线斜拉索张拉控制程序的基础上,分别针对结构刚度、拉索索长及单根拉索内索股数量对钢绞线超张拉施工的影响进行对比研究,并选取一座矮塔斜拉桥进行算例验证分析。研究得到以下结论:(1)结构刚度越大,钢绞线超张拉不均匀程度越小;(2)拉索索长越大,钢绞线超张拉不均匀性越显著;(3)单根拉索内索股数越多,超张拉不均匀性越显著;(4)总体上,矮塔斜拉桥结构刚度更大、跨度更小,拉索较短,钢绞线超张拉不均匀程度较小。     

矮塔斜拉桥钢绞线拉索鞍座的发展和应用

钢绞线斜拉索鞍座是矮塔斜拉桥的重要组成构件,介绍矮塔斜拉桥钢绞线拉索索鞍的发展过程,为适应斜拉索钢绞线单根可换的发展趋势,提出了菱形分丝管式鞍座的技术,并介绍了它的优点和使用方式。最后介绍菱形分丝管鞍座在苏州南津桥中的工程应用,供桥梁设计和施工人员参考。     

钢绞线斜拉索索力监测与应用

钢绞线是桥梁结构体系中的关键受力部件,钢绞线的应力状态是评价拉索桥梁健康状况的重要指标。基于磁弹效应的原理与主要的磁路结构,分析了钢绞线的磁畴特性及钢绞线的应力与磁通量的耦合关系,提出了典型的传感器磁路结构并构建钢绞线磁通量应力测试系统。将测试系统应用于某桥梁的钢绞线索力监测,比较监测值与设计值,发现监测值较为精确,两者具有较好的一致性,说明基于磁弹效应的钢绞线应力监测系统监测精度高、可重复性强,满足桥梁斜拉索工程施工质量与施工安全的要求,可为该类结构的索力与变形监测提供参考。     

预应力钢棒体系索塔锚固区力学特性研究

针对斜拉桥索塔锚固区传统钢绞线预应力体系存在布设复杂、预应力分布不均匀、锚下应力集中等问题,对采用无粘结预应力钢棒体系索塔锚固区的力学特性开展了研究。以洛溪大桥拓宽工程主桥为背景,采用ANSYS软件分别建立了该桥预应力钢棒体系及传统钢绞线预应力体系索塔锚固区节段有限元模型,对比了2种预应力体系索塔锚固区在2种荷载工况下(完成预应力张拉但未张拉斜拉索和斜拉索张拉后)混凝土塔壁横桥向应力、顺桥向应力、第一主应力和第三主应力。结果表明：2种荷载工况下,无粘结预应力钢棒体系具有足够的压应力储备;与传统钢绞线预应力体系相比,无粘结预应力钢棒体系锚固区的应力水平较低,混凝土塔柱的应力水平沿高度方向更为均匀,采用无粘结预应力钢棒体系索塔锚固区具有更优的力学性能。     

斜拉桥索塔U形钢束应力不均匀程度模拟分析方法

针对斜拉桥索塔U形预应力束张拉实测伸长量大于规范计算伸长量的现象,分析了张拉过程中钢绞线在弯道内的行为规律,指出重排列产生附加伸长,使钢绞线之间存在明显的应力差异。采用CAD模拟分析法计算得出,即使在理想状态下,忠建河特大桥U形预应力束张拉伸长量超出设计值37.7%,应力不均匀系数为0.388。结果表明:应力不均匀是钢束实测伸长量超限的重要原因;如果缺少有效的施工控制,少量钢绞线会因应力过高发生破断,造成结构质量和安全隐患。     

预应力混凝土连续钢绞线张拉力施工控制计算分析

对预应力混凝土连续梁桥来说,预应力的施工控制是桥梁质量控制的关键环节,如何准确地控制锚下张拉力对桥梁施工质量控制有非常重要的意义。预应力混凝土连续梁桥的孔道摩阻系数、孔道偏差系数、钢绞线回缩量等参数的理论值与实测值存在较大偏差,如果在张拉施工时仍按设计值张拉钢绞线,可能造成预应力储备不足或超张拉等情况发生。对预应力混凝土连续钢绞线张拉力的施工控制进行了计算分析,研究了调整锚下张拉控制应力的计算理论。结果表明,孔道摩阻系数、孔道偏差系数、钢绞线回缩量等参数对预应力控制影响较大,预应力钢绞线张拉前应通过试验获得预应力张拉所需的各项控制参数,并通过计算分析得出钢绞线张拉所需锚下张拉控制应力。研究成果可为同类桥梁预应力钢绞线张拉施工提供借鉴。     

独塔单索面斜拉桥抗震性能分析

独塔单索面斜拉桥作为一种新兴桥梁体系,多采用塔、梁、墩固结,在降低桥梁施工难度的同时,加大了固结区域构造和力学性能的复杂性。针对塔梁墩固结体系独塔单索面斜拉桥力学行为的特殊性,采用有限元软件建立了某独塔单索面斜拉桥空间有限元模型,在分析其自振特性的基础上,利用反应谱法研究了该独塔单索面斜拉桥的抗震性能。结果表明:该桥桥塔横向刚度相对较小,自振特性分析中最先出现桥塔横向的振动,在地震峰值加速度0.20g作用时,主梁、斜拉索、桥塔等构件的应力和位移等均在合理范围内,设计满足抗震性能要求。     

采用设缝双肢墩的多塔斜拉桥温度效应分析

对于塔梁墩固结的多塔斜拉桥刚构体系,为了适应其主梁因温度引起的纵向变形,并减小桥梁结构温度应力,提出新型设缝双肢墩桥墩形式。建立采用整体墩和设缝双肢墩的两种斜拉桥有限元计算模型,分析比较温度作用下,主梁、索塔的位移及主梁与塔墩应力,结果表明在不同的温度荷载组合下,设缝双肢墩多塔斜拉桥主梁和桥墩的位移及应力状况均优于整体墩斜拉桥。分析结果可给设缝双肢墩斜拉桥设计提供参考。     

桥梁板式橡胶支座酸腐蚀寿命时变可靠性研究

桥梁板式橡胶支座容易受到酸雨的影响,为了研究板式橡胶支座经过酸腐蚀后的力学性能情况,采用3.0％的硫酸溶液对公路桥梁橡胶支座分别进行20 d、40 d、60 d和80 d的酸腐蚀处理,并进行轴心受压试验研究.结合橡胶支座酸腐蚀损伤失效过程,建立了桥梁板式橡胶支座的酸腐蚀损伤时变可靠度计算模型.结果表明,随着时间的推移,桥梁板式橡胶支座的酸腐蚀损伤时变可靠指标逐渐变小,变化趋势呈抛物线型.通过模型可预测桥梁板式橡胶支座的酸腐蚀寿命,为板式橡胶支座的酸腐蚀损伤计算提供依据,为维护部门提供决策依据,降低失效风险.     

基于无应力长度目标的平行钢绞线斜拉索张拉方法

为改善斜拉桥平行钢绞线拉索以索力控制张拉时需多次重复张拉的复杂操作工序,并减少由此产生的累计误差,同时使得张拉完成后每股钢绞线拉力分布更均匀,选择以钢绞线的无应力长度作为控制张拉的对象,设计了以无应力长度控制钢绞线逐根一次张拉到位的施工方案,并对其进行优化。考虑拉索的几何非线性,建立单根钢绞线的几何状态方程,确定其在目标索力下控制张拉的无应力长度;在实际施工中以该无应力长度控制张拉单根钢绞线,运用分阶段局部寻优的数值方法,考虑实际施工误差和塔、梁变形等因素,对实际施工索力与设计目标索力之间存在的误差进行修正,寻求对应实际工况的控制张拉无应力长度,以实现一次张拉到位、张拉完成后每根钢绞线拉力相等且成桥索力也更精确的目的;最后,通过计算机仿真算例模拟实际工况进行验证。结果表明:对给定的设计成桥目标索力,采用无应力长度控制张拉方案可一次张拉到位,考虑施工误差进行优化后控制张拉的无应力长度与对应实际工况的无应力长度相差较小,经过二次优化后,施工张拉索力与设计目标索力的相对误差为0.72%,且张拉完成后每根钢绞线拉力相等,满足施工要求;相关计算程序经固化后嵌入智能千斤顶可用于斜拉索张拉施工。     

无应力状态控制法——斜拉桥安装计算的应用

利用分阶段施工桥梁结构的力学平衡方程和无应力状态按制法的基本原理确定斜拉桥施工中间过程理想状态.以桥梁构件单元的无应力状态量必须满足成桥目标状态要求作为控制条件,直接由斜拉桥最终设计成桥目标状态求解桥梁施工过程状态的内力和线形.混凝土斜拉桥施工过程的收缩和徐变实际上是改变了构件单元的无应力长度和无应力曲率,应通过施工中的预拱度来调整.     

腐蚀预应力混凝土桥梁抗力退化预测方法

针对氯盐环境下预应力混凝土桥梁中钢绞线锈蚀引起的抗力退化问题,以一座服役预应力混凝土桥梁为例,考虑钢绞线锈蚀初始和发展过程、锈蚀导致的钢绞线截面积减小、钢绞线强度降低以及钢绞线与混凝土间的黏结性退化,采用Monte Carlo数值模拟方法,建立了锈蚀预应力混凝土桥梁构件抗力退化预测概率模型,分析了锈蚀对预应力混凝土桥梁构件抗力水平的影响。研究结果表明:钢绞线锈蚀开始阶段,坑深增长较快,且各个蚀坑的差值较小;随锈蚀的发展,坑深增长逐渐变缓。锈蚀初始时间服从对数正态分布,不同时刻抗力可用正态分布来表征。     

矮塔斜拉桥施工过程非线性受力分析

以矮塔斜拉桥为工程背景,考虑矮塔斜拉桥在施工过程中的体系转换与非线性效应的影响,采用桥梁专用计算软件 MIDAS/CIVIL对矮塔斜拉桥施工过程进行模拟分析,分析了矮塔斜拉桥在恒载作用下,双非线性对桥梁挠度、内力及应力影响,提出了有益建议,可为同类桥梁的设计与施工控制提供一定的参考。     

桥梁缆索断面钢丝腐蚀进程差异性试验

为实现桥梁缆索断面内高强钢丝腐蚀进程差异性量化表征，进而支撑该类构件在服役期内的强度退化模拟与承载力评定等工作,以镀锌钢丝缆索为对象，采用旧索构件破除实测与人工加速腐蚀试验相结合的方法，构造相邻层钢丝腐蚀进程差异性指标，研究了实际服役环境下的平行钢丝缆索断面腐蚀进程差异性。进一步考虑缆索断面构造特征及护套可能出现的病害类型，通过捆绑试件加速腐蚀试验，研究试验环境下平行钢丝缆索断面腐蚀进程差异性,护套破损对断面腐蚀进程差异性的影响以及钢绞线内外丝腐蚀进程差异性。研究结果表明：护套整体老化失效时，平行钢丝缆索断面相邻层钢丝总体腐蚀进程差异系数不拒绝正态分布，均值与变异系数分别为0.675 8、0.254 3;实际服役环境下总体腐蚀进程差异系数均值水平更高、变异性更强，腐蚀介质沉积效应对缆索断面钢丝腐蚀进程差异性的影响因破损形态而异；随着腐蚀时间的延长，断面总体腐蚀进程差异性逐渐减弱，钢绞线内外丝总体腐蚀进程差异系数概率分布特征由对数正态分布向正态分布过渡。