钢-UHPC组合结构的栓钉连接件疲劳性能分析

为探究钢-UHPC组合结构中栓钉连接件的疲劳性能,基于SWT方法与断裂力学理论,建立了考虑栓钉焊接细节的1/4推出试验有限元模型,以研究钢-UHPC组合结构中短栓钉的疲劳寿命预测方法。通过定义材料非线性特性研究栓钉的荷载-滑移曲线与应力分布规律,得出栓钉焊接细节的最不利位置,及其临界平面,由此计算其裂纹萌生寿命,以及稳步扩展疲劳裂纹寿命,对栓钉疲劳性能进行评估,最后提出了基于有限元计算得出的栓钉疲劳寿命预测公式。结果表明：通过建立栓钉焊趾细节能够较好地模拟UHPC中短栓钉的荷载-滑移特性,方法和所提出的疲劳寿命预测公式能较好地预测栓钉的疲劳寿命,疲劳应力幅值对栓钉的损伤参数影响较大,疲劳裂纹萌生寿命所占比例最大可达90%以上,研究内容可为钢-UHPC组合结构中栓钉的疲劳性能评估提供参考。     

UHPC中短栓钉抗剪性能试验及理论分析

为深入研究超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）中短栓钉的抗剪性能,提出精细化的计算理论和方法,指导工程设计,共完成9个静力推出试验。试件参数包括短栓钉直径、界面处理情况以及加载方式。根据试验受力模式,提出了一种三维精细有限元分析模型,利用ABAQUS显式分析方法,探讨焊缝形式、短栓钉直径、短栓钉高度、UHPC强度等参数对UHPC中短栓钉抗剪性能的影响。最后结合试验数据及有限元分析结果提出UHPC中短栓钉荷载-滑移全曲线实用经验公式和抗剪承载力计算公式。试验及分析结果表明：短栓钉抗剪承载力主要受短栓钉直径和焊缝形式的影响,随短栓钉直径的增大而提高,有限元中模拟焊缝相比于不模拟焊缝时短栓钉抗剪承载力提高48%~93%;短栓钉抗剪刚度主要受短栓钉直径和界面处理情况的影响,界面黏结将提高抗剪刚度;加载方式（单调加载和循环加载）、短栓钉高度和UHPC强度对短栓钉抗剪性能影响较小;2种不同直径短栓钉最大滑移均不超过4 mm,设计时可按照弹性连接件设计方法计算;收集的国内外68组有效试验数据与理论计算结果吻合度较高;建议取0.3P_u~0.4P_u（短栓钉抗剪承载力）处的割线刚度平均值作为UHPC中短栓钉抗剪刚度,抗剪刚度试验值与理论计算结果对比表明该方法具有较高的精度。     

钢-UHPC组合桥面板中焊接栓钉的疲劳性能及设计布置方法

钢-超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete, UHPC)组合桥面板中焊接栓钉在实现UHPC层协助正交异性钢桥面板受力进而缓解疲劳开裂方面发挥着重要作用。为探究组合桥面板中栓钉的疲劳性能，开展了钢-UHPC组合桥面板足尺节段梁式疲劳试验，揭示了栓钉的疲劳破坏模态。基于梁式疲劳试验结果，分别采用线性回归法及考虑溜号样本影响的极大似然法建立了栓钉抗剪S-N曲线，并与UHPC层中栓钉推出疲劳试验的S-N曲线进行了对比。探讨了现有设计规范中栓钉抗剪S-N曲线与所建立的S-N曲线的差异。针对混凝土材料性能对栓钉疲劳性能的影响，提出了可量化该影响因素的栓钉抗剪统一的S-N曲线。研究结果表明：疲劳破坏发生在栓钉-钢顶板焊接热影响区附近；破坏模态可分为单一型模态及复合型模态，破坏模态不受混凝土材料性能、试验方法(梁式试验或推出试验)及栓钉几何尺寸的影响。基于极大似然法具有95%存活率的S-N曲线略高于线性回归法，且2种方法200万次疲劳寿命对应的抗剪疲劳强度分别为162、158 MPa,远高于推出疲劳试验值103 MPa。现有设计规范在应用于钢-UHPC组合桥面板...     

钢-超高性能混凝土组合桥面系中栓钉连接件的疲劳性能研究

针对钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥面系中栓钉连接件疲劳性能研究不足的状况,采用精细数值模型和模型疲劳试验,对岳阳洞庭湖大桥的钢-UHPC组合桥面系中栓钉连接件的疲劳性能进行了研究。在精细数值模型分析中,建立了岳阳洞庭湖大桥的多尺度有限元模型,提取了栓钉剪应力的影响面,基于中国《公路钢结构桥梁设计规范》的标准疲劳车,计算得到了栓钉等效疲劳剪应力幅。在模型疲劳试验中,取桥面系的正弯矩和负弯矩板带,设计了1组2个梁式足尺疲劳试件,其中正、负弯矩试件中的栓钉分别在119.5MPa和72.0MPa名义剪应力下经历了200万次疲劳加载。再考虑了影响面大小、车流量和设计年限等因素对等效疲劳应力幅进行修正,并对栓钉的疲劳寿命进行了评估。结果表明:试件在经历200万次疲劳加载后应变仍保持平截面,未发生明显界面疲劳破坏,可保守取119.5 MPa和72.0 MPa作为正、负弯矩板带试件中栓钉的疲劳强度;洞庭湖大桥组合桥面系中的栓钉连接件具有足够的疲劳承载力安全储备,能够满足120年的设计寿命要求。     

某正交异性板钢箱梁斜拉桥UHPC组合桥面改造方案研究

某跨江大桥为主跨460m的斜拉桥,运营多年后正交异性板钢箱梁出现大量裂纹,提出采用超高性能混凝土(UHPC)组合桥面(由配钢筋网的UHPC层与钢桥面板通过短栓钉组合而成)进行改造。为选择合适的改造方案,采用有限元法建立原钢箱梁和UHPC组合桥面钢箱梁(UHPC层厚4.5,5.5,6.0cm)模型,分析各疲劳细节应力及UHPC层应力;开展UHPC层配置钢板条的组合结构模型试验,验证其疲劳性能。结果表明:UHPC组合桥面降低了钢箱梁各疲劳细节最大应力幅,降幅为11%~88%,顶板疲劳细节处裂纹尖端最大应力幅降幅达92%;疲劳荷载作用下,UHPC层顶面应力较低,钢桥面板开裂后UHPC层底面应力较大;采用钢板条对5.5cm厚UHPC层的组合结构加强后,UHPC层名义开裂应力达43.2MPa,200万次疲劳寿命达22.1MPa,疲劳性能满足要求,选择该方案进行改造。     

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.     

考虑疲劳损伤的栓钉连接件抗剪承载力研究

针对钢-混凝土组合梁桥在结合面处承受反复剪力作用的栓钉连接件极限承载力降低现象进行了试验研究。基于考虑构件初始缺陷影响的断裂力学方法,建立了栓钉连接件疲劳寿命分析模型,并通过试验数据确定了模型参数,提出了栓钉连接件残余抗剪承载力与等幅循环荷载加载次数关系的计算方法,采用此计算方法对不同的影响因素进行了参数分析。研究结果表明:栓钉直径越大,其抗剪承载力退化程度越大;栓钉初始缺陷率大于0.1且剪应力幅值大于100MPa时,其抗剪承载力降低速度很快,在工程设计中须加以控制。     

大纵肋正交异性钢-免蒸养UHPC组合桥面板力学性能研究

为明确大纵肋正交异性钢-免蒸养UHPC组合桥面板的力学性能，进行免蒸养UHPC材料力学性能试验、构件静力模型试验与疲劳模型试验，分析其材料基本力学性能、剪力钉抗剪性能、组合桥面板抗弯性能及疲劳性能。结果表明：免蒸养UHPC材料的弹性模量略高于高温蒸养UHPC材料，其他力学性能指标相较于高温蒸养UHPC材料均有不同程度的降低；免蒸养UHPC中剪力钉的破坏模式表现为剪力钉根部剪断并伴有焊环局部UHPC压溃，组合桥面板名义开裂应力为13.7 MPa,满足结构抗裂性要求；组合桥面板的疲劳破坏模式表现为UHPC结构层开裂，继而纵肋与横隔板连接焊缝焊趾处疲劳开裂，组合桥面板的疲劳寿命最终由焊接细节的疲劳强度所控制；纵肋与横隔板连接焊缝的等效疲劳强度为157 MPa,满足现行规范要求。     

装配式钢-UHPC组合梁群钉连接件受力性能研究

为研究装配式钢-UHPC组合梁中群钉连接件在不同应力状态下的结构性能,开展了三组群钉连接件的推出试验和两组拉剪试验,考虑栓钉间距、高径比和拉剪比对UHPC中群钉连接件破坏形态、承载能力和延性的影响,提出UHPC中群钉连接件荷载-滑移关系表达式。结果表明：推出试验和拉剪试验的破坏模式均为栓钉被剪断;剪切荷载下,减小栓钉间距会降低群钉连接件的承载力和延性,栓钉高径比对极限承载力和相对滑移的影响较小,短栓钉在UHPC中仍能发挥其抗剪性能,建议群钉连接件中栓钉间距不小于4倍栓钉直径,UHPC板中群钉连接件采用弹性理论进行设计。拉剪荷载下,拉剪比为0.17时拉力作用对群钉连接件受力性能影响可忽略,拉剪比为0.27时拉力作用明显削弱了UHPC板中群钉连接件的承载能力和延性。提出的荷载-相对滑移关系的计算模型能够准确的描述UHPC板中群钉连接件的行为。     

温度和冻融作用下沥青混合料疲劳性能研究

为模拟车辆荷载及气温、降水等自然因素对沥青路面疲劳性能的影响,文章通过室内试验,研究了应力比、温度和冻融循环等因素对沥青混合料疲劳寿命的影响。结果表明,随着应力比的增大和温度的升高,沥青混合料的疲劳寿命逐渐降低;经冻融后,沥青混合料的疲劳寿命有所降低。各条件下,疲劳寿命随应力比都呈指数规律变化,温度越高,A值和B值越小;冻融后A值和B值都会增大,其中经冻融且温度为15℃时A值和B值最大,此时疲劳寿命受应力比的影响最显著。     

橡胶沥青混合料疲劳寿命关键影响因素分析

采用三分点加载小梁弯曲疲劳试验研究橡胶沥青混合料的疲劳寿命,分析了油石比、空隙率、胶粉掺量等内在因素和应力比、加载频率等外部因素对疲劳寿命的影响,并选用AC-13和SMA-13两种结构作对比。试验结果表明:疲劳寿命随油石比增大呈现先增大后减小的趋势,存在最佳油石比使疲劳寿命达到最大值;在正常范围内,减小空隙率能够提高疲劳寿命;当胶粉掺量为19%时疲劳寿命最大,相同的胶粉掺量下,AC-13结构的疲劳寿命高于SMA-13结构;应力比小于0.5时,疲劳寿命随应力比增大大幅减小,而当应力比大于0.5时,疲劳寿命随应力比增大而减小的趋势变缓,应力比相同时,SMA-13结构的疲劳寿命高于AC-13结构;在特定应力比下,增大加载频率可以大幅提高疲劳寿命,当加载频率增大到一定程度后疲劳寿命将趋于恒定。     

带板肋的钢-UHPC轻型组合桥面疲劳性能理论与试验研究

该文提出了一种新型的带板肋的超高性能混凝土轻型组合结构,通过有限元建模的方法分析了其应用于浙江五一大桥时的抗疲劳性能并与原U肋加劲的钢桥面板进行对比分析。针对该结构在负弯矩作用下UHPC的抗弯拉疲劳性能以及组合结构层间栓钉抗剪疲劳性能开展了足尺模型疲劳性能试验。结果表明:(1)带板肋的组合桥面结构完全解决了传统钢桥面中部分细节疲劳抗性不足的问题;(2)负弯矩疲劳试验得到板肋轻型组合桥面中UHPC层在10MPa弯拉应力幅的作用下经过500万次疲劳荷载作用后裂缝宽度仅为0.09mm,对结构整体性能无明显影响;(3)板肋组合结构中栓钉连接件在90 MPa疲劳应力幅作用下经过50万次循环荷载作用后,未见任何破坏迹象及层间滑移裂缝,换算得到实桥中栓钉抗剪疲劳寿命不小于76 293万次;(4)板肋组合结构中加劲肋在193MPa疲劳应力幅作用下经过50万次循环荷载作用后发生断裂破坏,换算得到实桥中加劲肋疲劳寿命为5 616万次。     

组合梁负弯矩区栓钉焊趾疲劳评定方法

各国规范中,组合梁栓钉焊趾部位通常采用2种疲劳细节分别进行疲劳检算。但在负弯矩处栓钉焊趾往往承受栓钉剪应力循环和钢梁翼缘拉应力循环的共同作用。引入通常用于计算变幅应力疲劳的线性累积损伤理论,对2种应力循环引起的结构同一部位的疲劳进行评定,给出组合梁负弯矩区栓钉焊趾疲劳评定公式。     

应力比和加载频率对橡胶沥青混合料疲劳寿命的影响

不同试验条件对橡胶沥青混合料的疲劳寿命影响效果具有差异性。文章选取AC-13和SMA-13两种级配,研究应力水平和加载速率对两种橡胶沥青混合料疲劳寿命的影响。试验结果表明,应力比越大,疲劳寿命越低,应力比为0.5是疲劳寿命大幅改变的分界点;随着加载速率的增大,疲劳寿命逐渐增大最后趋于稳定。     

正交异性钢-UHPC组合桥面板剪力连接件抗疲劳性能分析

以某特大桥为依托,采用有限元方法计算了大桥钢箱梁节段模型中,正交异性钢-UHPC组合桥面板在轮轴荷载作用下其剪力连接件在横桥向间距由原设计的150 mm增加至300 mm时的应力分布特征及应力影响面;基于雨流法和Miner疲劳损伤累积理论,计算了组合桥面板剪力连接件在设计疲劳荷载下的等效应力幅与疲劳累积损伤度。结果表明,优化后的剪力连接件抗疲劳性能满足规范要求。在此基础上,研究了组合桥面板剪力连接件的直径、间距对其疲劳性能的影响,结果表明,栓钉剪力连接件的直径由13 mm增大到19 mm时,剪力连接件的应力幅值及抗疲劳性能基本保持不变;剪力连接件的横向间距由300 mm增加至600 mm,纵向间距由200 mm变为400 mm时,其应力幅值普遍有所增大,但依然满足在大桥设计寿命期内抗疲劳设计使用要求。     

沥青混合料拉压疲劳损伤试验

为研究沥青路面结构实际处于拉压应力作用下的疲劳损伤特性,针对沥青混合料AC-13开展了连续式交变正弦波形加载的小梁拉压疲劳试验。依据损伤力学基本理论,采用唯象学方法分析了沥青混合料的拉压疲劳损伤特性。介绍了拉压疲劳试验方法及影响因素,根据疲劳试验结果得到了拉压疲劳方程;基于弹性模量定义的损伤变量,建立了拉压疲劳损伤模型,拟合疲劳试验结果确定了损伤参数,获得了考虑应力水平的拉压疲劳损伤演化方程。研究结果表明:疲劳损伤参数α、β随应力水平增大而增大,且近似呈线性关系;拉压疲劳损伤演化大致呈3阶段变化规律,即损伤萌生、损伤稳定增长和损伤失稳破坏阶段;应力水平越大的损伤演化曲线越靠下,随寿命比变化疲劳损伤演化速度越缓和。     

悬索桥钢桁加劲梁栓焊节点疲劳试验研究

悬索桥钢桁加劲梁栓焊节点处汇交杆件多,构造复杂,受力集中,为复杂的空间受力结构。介绍根据疲劳损伤理论确定疲劳试验荷载的过程,设计并制作1︰1.9的缩尺模型,对该模型进行200万次疲劳加载试验。试验结果表明:在完成循环加载200万次后,模型上各测点的应力状态稳定,没有发生开裂、损伤、疲劳裂纹萌生现象,且标准疲劳荷载作用下结构应力水平较低,小于我国规范规定的疲劳容许应力,因此该桥的栓焊节点结构在使用寿命期间及正常养护维修情况下,不会发生疲劳开裂,能够满足设计要求。     

基于结构应力法的斜拉桥锚箱疲劳寿命评估与试验研究

焊接钢结构的抗疲劳设计采用规范推荐的S-N曲线结合试验修正的方法,但由于疲劳细节和荷载的复杂性,很难找到相对应的S-N曲线且试验的成本较高。结构应力法可以从理论上对结构的疲劳寿命进行预测,近年来受到广泛关注。为了评估大连市滨海大道西延伸线工程斜拉桥锚箱结构的疲劳性能,开展了足尺模型试验,并基于结构应力法评估了锚箱的疲劳寿命。通过建立全桥有限元模型分析了各斜拉索的索力,并考虑平均应力的影响确定试验加载的最大峰值和最小峰值。在完成规范要求的疲劳循环后,为进一步探究锚箱超长期服役的疲劳性能,增大加载幅值经过276万次的疲劳加载,锚箱结构的力学性能和刚度均未出现明显变化。基于结构应力法预测锚箱的疲劳寿命为9.17×10~6次。综合结构应力法评估结果和疲劳试验研究表明锚箱的疲劳性能可靠,能够满足工程要求。     

一种新疲劳模型在疲劳寿命评估中的应用

针对Miner准则在进行疲劳寿命评估时,忽略荷载次序效应而导致评估结果不可靠的情况,引入基于次序定律的新损伤识别指数Di,提出一种新疲劳模型。该模型考虑了加载历程,等级i下的循环数ni引起的损伤取决于之前的加载。为了解新疲劳模型的评估效果,考查了2个Whler曲线模型,对比分析不同加载情况下新疲劳模型预测结果、文献数据、Miner准则预测结果和试验结果。结果表明,新疲劳模型的预测结果与试验结果及文献数据符合较好,Miner准则预测结果偏大。使用基于次序定律的新疲劳模型可以得到更精确的疲劳寿命,很好地指导结构的设计。     

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。