冲击荷载作用下气泡轻质土性能试验研究

气泡混合轻质土已广泛应用于高速公路的加固问题。然而在周期性车辆冲击荷载作用下,气泡混合轻质土会产生裂纹甚至开裂破坏。为了研究在冲击荷载作用下,气泡混合轻质土的抗裂性能,基于室内垂直冲击试验,分析了不同发泡剂掺量下混合轻质土的抗裂性能,并研究了各试件初裂及终裂破坏次数的发展规律。研究结果表明:气泡混合轻质土的初裂次数与普通混合土相近,但其终裂破坏次数远远大于普通混合土,具有较强的抗冲击性能;气泡混合轻质土其终裂次数随着发泡剂掺量的提高而增大,气泡混合土孔隙的存在能明显提高材料抗击性能,延缓材料的脆性破坏。     

河道淤泥气泡混合轻质土剪切流变特性及模型

利用剪切流变试验对以水泥为固化剂的河道淤泥气泡混合轻质土的流变特性进行了试验研究。试验结果表明,经固化处理的河道淤泥气泡混合轻质土在荷载作用下具有类似于硬粘性土的流变特征。剪切流变可以分为3个阶段:在剪应力水平较低时,剪切流变曲线呈衰减稳定型;随着剪应力水平的提高,剪切流变曲线呈非稳定的等速型;当剪应力水平增大到一定程度时,剪切流变曲线呈加速型。河道淤泥气泡混合轻质土的流变性随着混合轻质土强度的提高而降低。根据试验所呈现的剪切流变规律,可以发现河道淤泥气泡混合轻质土的剪切流变符合七元件黏弹塑性剪切流变模型,模型能够比较好地描述河道淤泥混合轻质土在各种剪应力水平下的衰减、等速以及加速流变过程。     

聚丙烯纤维气泡混合轻质土抗压力学性能研究

通过聚丙烯纤维气泡混合轻质土标准试件无侧限抗压试验来探究聚丙烯纤维含量及纤维长度对气泡混合轻质土抗压强度的影响。试验结果表明:气泡混合轻质土的抗压强度随着聚丙烯纤维含量的增加而提高,且龄期越长,其强度增长效果越显著;当抗压强度达到峰值后,随着聚丙烯纤维长度的增加,气泡混合轻质土的抗压强度曲线呈降低趋势,且存在纤维长度最优值。结合材料应力-应变曲线,采用坐标无量纲化处理及分段式受压曲线方程理论,初步建立了聚丙烯纤维气泡混合轻质土单轴受压全曲线函数方程,并采用离散数据数值分析方法对应力-应变曲线下降段的理论函数方程进行修正,给出了具有明确物理意义的聚丙烯纤维气泡混合轻质土单轴受压全曲线分段函数方程。     

循环荷载作用下气泡轻质土动强度及预测模型

气泡轻质土为新型回填材料,可能受交通荷载和机器振动等动荷载作用。目前关于动荷载对气泡轻质土强度的影响缺乏统一认识,易造成设计不合理。开展循环荷载作用下气泡轻质土无侧限抗压强度试验,探讨密度、振动频率和循环次数对气泡轻质土动强度的影响。研究结果表明,气泡轻质土在循环荷载作用下动强度明显低于静强度,这可能因为其内部结构在动荷载作用下更易发生破坏。采用基于人工神经网络的机器学习方法建立气泡轻质土动强度预测模型,经模型训练后,预测值与试验数据达到良好的一致性。     

玻璃纤维混凝土的弯曲疲劳试验研究

对玻璃纤维混凝土(GFRC)材料的弯曲疲劳进行了试验研究,获得不同应力水平作用下GFRC的疲劳寿命,并应用疲劳寿命统计学理论确定了GFRC疲劳寿命统计分布规律服从两参数的威布尔分布,建立了考虑存活率的双对数疲劳方程和单对数疲劳方程。研究结果表明,GFRC的抗弯性能和弯曲疲劳寿命明显高于普通混凝土材料。     

不同缺口类型钢筋力学性能试验及数值分析

为模拟局部锈蚀对钢筋静力及疲劳性能的影响,对4种缺口形状、6种缺口尺寸的100根钢筋进行轴向静力拉伸和疲劳拉伸试验.基于静力拉伸试验结果,给出了缺口形状、缺口深度与钢筋屈服载荷、极限荷载间的定量关系,分析了缺口尺寸对应力集中系数的影响;基于疲劳拉伸试验结果,研究了缺口形状和缺口尺寸对钢筋疲劳寿命的影响,建立了钢筋应力范围-疲劳寿命-缺口深度的曲线方程;在试验基础上,建立了精细有限元三维实体计算模型,分析了缺口附近的应力分布状态,解释了坑蚀形态导致钢筋性能退化的原因.结果表明:三角形缺口应力集中系数最大,依次为变长度三角形、径向椭圆形和轴向椭圆形,应力集中程度随应力水平和缺口深度的增加而增大;不同缺口类型钢筋的实际应力范围和疲劳寿命在对数坐标下呈线性关系;三角形和变长度三角形锈坑应力集中梯度较大,率先进入塑性变形阶段,从而较早发生破坏.     

玄武岩纤维再生混凝土冻融后的弯曲疲劳特性

基于中国北方地区气候特点及混凝土路面的受力特征,研究冻融损伤对玄武岩纤维再生混凝土(BFRC)弯曲疲劳特性的影响。首先对BFRC采用快冻法进行冻融循环试验,研究BFRC的冻融损伤形貌、质量、相对动弹性模量和相对抗折强度的变化; 然后针对经历不同冻融循环次数后BFRC的弯曲疲劳特性进行了试验研究,分析了冻融循环次数与应力水平对BFRC疲劳寿命的影响规律; 最后基于两参数Weibull分布理论对BFRC的疲劳寿命进行分析,预测了不同失效概率下的疲劳寿命并建立了失效概率为0.05和0.5下的双对数疲劳方程。结果表明:随着冻融循环次数的增加,试件表面损伤程度和质量损失率逐渐增大,相对动弹性模量和相对抗折强度逐渐下降,当冻融循环达到225次时,BFRC的相对动弹性模量和相对抗折强度与冻融循环前相比分别下降了12.4%和35.1%; 随着冻融循环次数和应力水平的增加,弯曲疲劳寿命逐渐减小; BFRC经冻融循环后的弯曲疲劳寿命服从两参数Weibull分布,失效概率为0.5的预测疲劳寿命与试验所得平均疲劳寿命十分接近; 建立的双对数疲劳方程能较好地反映冻融后BFRC应力水平S与疲劳寿命N之间的关系,研究成果为BFRC在路面结构中的安全应用提供可靠依据。     

基于车辆荷载的锈损公路桥梁疲劳性能试验研究

采用湿盐砂锈蚀方法获得腐蚀环境钢筋混凝土劣化试件,选取与车辆荷载作用下公路桥梁实际承受的疲劳应力水平,通过8根锈蚀钢筋混凝土梁的弯曲疲劳试验,分析了锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳破坏形态及应力水平和钢筋锈蚀率对梁疲劳性能的影响规律。试验结果表明,锈蚀梁的疲劳破坏形态为主筋脆性断裂;在设计应力水平作用下,疲劳加载满足规范200万次要求;在桥梁实际应力水平作用下,未锈蚀试验梁的平均疲劳寿命较规范值减少6.71%;锈蚀较严重的试验梁疲劳寿命较规范值减少13.57%,较同应力水平的未锈蚀梁疲劳寿命减少42.54%,锈蚀对试验梁的疲劳寿命影响显著。随着疲劳循环次数的增加,锈蚀梁钢筋内部出现疲劳损伤、抗弯刚度逐渐退化,混凝土残余应变累积,裂缝演变基本符合快速增加、稳定发展、急剧变化的“三阶段”发展规律。根据试验结果,建立S-N疲劳寿命方程,提出了锈蚀钢筋混凝土梁疲劳寿命计算方法,研究结果为桥梁结构疲劳性能评估提供理论依据。     

自然锈蚀钢筋的疲劳试验

为科学预测并适当延长既有服役混凝土桥梁的使用寿命,在考虑锈蚀率和应力幅值影响的基础上,对在服役老化混凝土构件中截取的25根锈蚀钢筋试件进行了轴向拉伸疲劳试验.经统计回归分析,建立了考虑锈蚀率影响的轻度、中度、重度自然锈蚀钢筋疲劳曲线方程,探讨了轻度、中度、重度自然锈蚀钢筋疲劳寿命的退化规律,给出了50％保证率不同预期疲劳寿命下轻度、中度、重度自然锈蚀钢筋容许应力幅值的建议值,并与轻度、中度加速锈蚀钢筋容许应力幅值的建议值进行了对比.结果表明:轻度、中度、重度自然锈蚀钢筋的应力幅值与疲劳寿命均呈对数线性关系,但疲劳寿命急剧下降,且应力幅值越大其降低幅度越大.     

基于名义应力的城市钢桥面板疲劳寿命分析

<正>交异性钢桥面板承受着车辆动荷载的反复作用,容易造成疲劳累计损伤,出现钢桥面板的疲劳开裂现象。为研究某城市桥梁钢桥面板的疲劳寿命,建立钢桥面板三维有限元模型,选取钢桥面板4种典型的疲劳细节,确定最不利加载方式,并根据实测得到的城市车辆荷载频值谱,计算相应的应力历程和应力谱,从而评估各个疲劳细节的疲劳寿命。结果表明:在城市车辆荷载频值谱作用下,某城市钢桥4种疲劳细节的最大应力幅值均小于常幅疲劳极限,即钢桥面板具有无限寿命。     

冻融损伤对混凝土疲劳性能的影响

采用快冻法将混凝土盐冻或水冻至不同损伤程度后进行弯曲疲劳试验。以相对动弹性模量为损伤变量,从损伤的角度分析冻融循环作用对混凝土疲劳寿命的影响,对疲劳试验数据进行威布尔分布检验,建立冻融损伤混凝土的疲劳方程。结果表明,在疲劳荷载相同的情况下,混凝土的真实应力水平随冻融损伤的增加而显著变大,疲劳寿命则急剧降低;在损伤度相同的情况下,盐冻对混凝土疲劳寿命的影响比水冻大;冻融损伤混凝土的疲劳寿命服从两参数威布尔分布,但其离散性要大于未损伤混凝土的离散性;当损伤混凝土与未损伤混凝土的真实应力水平相同时,两者的疲劳寿命基本接近;冻融损伤后混凝土的疲劳寿命与真实应力水平之间的关系可用未损伤混凝土的疲劳方程进行表示。     

基于马尔可夫链的钢箱梁正交异性板疲劳状态分析

为对正交异性板U肋的剩余强度退化规律进行研究,引入马尔可夫过程理论,以特大跨径钢箱梁悬索桥--西堠门大桥为工程背景展开研究。首先分析西堠门大桥钢箱梁长期应变监测数据的时频特征,应用小波分析分离出环境温度变化所引起的桥面板结构应力波动,再对小波变换系数在不同尺度上选择合适的阈值来消除由环境随机激励和测量噪声引起的低幅值应力变异;采用雨流计数法对车辆荷载作用下的应变监测数据进行统计分析,得到疲劳应力范围并设定6个疲劳应力区间;然后由U肋对接部位的典型S-N曲线计算得到其强度从初始状态至最终状态的转移概率,并根据Palmgren-Miner线性疲劳累积损伤理论构造出连接部位易损点区域强度演变的状态转移概率矩阵;最后利用初始状态的概率分布向量和状态转移概率矩阵,得出大桥运营阶段不同时刻对应的剩余强度值,给出U肋连接部位的强度退化轨迹。结果表明：所建立的疲劳状态分析模型可以考虑构件强度退化过程中各状态的相关性,能够根据车流量变化来预测正交异性板U肋疲劳状态随桥梁服役时间的变化规律,从而可实现钢箱梁正交异性板U肋的服役性能评估。     

混凝土矮箱梁桥疲劳性能监测与评估

采用动态称重(WIM)技术对陕西省省道S305线崾岘中桥进行交通荷载监测,分析得出了适合陕西省混凝土桥梁的标准疲劳车模型。采用动应变监测技术对混凝土矮箱梁关键部位进行长期动应变监测,获得了运营状态下混凝土矮箱梁的实测应力谱;运用Miner线性准则和应力幅 循环次数曲线对结构进行疲劳寿命评估;对超载情况下混凝土矮箱梁的疲劳寿命进行了分析。结果表明:在目前交通荷载作用下,混凝土矮箱梁的疲劳寿命为5 120年,考虑腐蚀疲劳的因素后疲劳寿命降至254年;当超载车辆比例低于1%时,超载对桥梁结构的疲劳寿命影响很小;当超载车辆比例达到10%时,结构的疲劳寿命随着超载率的提高而显著降低;该研究成果可为崾岘中桥未来维护管理提供技术支撑,同时为同类型其他桥梁的疲劳寿命评估提供参考。     

钢丝裂纹扩展估算模型及其在预腐蚀疲劳寿命计算中的应用

为给桥梁缆索高强度钢丝损伤容限分析提供实用的裂纹扩展计算参数,根据钢材相关试验的结果统计了珠光体钢丝门槛值ΔKth和裂纹扩展计算数据,建立适用于不同屈服强度和应力比的钢丝裂纹扩展经验模型。在此基础上,提出基于一维裂纹扩展假定的预腐蚀钢丝疲劳寿命预测方法,并对锈蚀钢丝恒幅和变幅疲劳寿命进行实例分析。结果表明,珠光体钢材的屈服强度和门槛值之间的相关性随着屈服强度和应力比的提高而增强|提出的钢丝裂纹扩展模型和初始裂纹深度假定可较好地模拟腐蚀钢丝恒幅疲劳试验的离散性和疲劳极限性质|腐蚀钢丝变幅疲劳评估结果对门槛值变化较敏感|按保守门槛值的预测寿命显示,轻微均匀锈蚀钢丝若及时采取养护措施,可在桥梁常规检修期内继续使用。     

路基永久变形对水泥混凝土路面的影响分析

采用由室内反复加载三轴试验建立的路基土永久变形预估模型,计算了典型土组路基永久变形的量值。分析表明,随着路基回弹模量的提高,其永久变形也逐渐减小;路基永久变形在空间上呈垂球面形,在模拟计算中,可采用抛物线或正弦曲线进行拟合。将路基永久变形作为初始条件赋予相应节点,建立考虑不均匀支撑条件的路面结构分析模型,并对不同荷位下路面结构的荷载响应和疲劳寿命进行分析。结果表明,路基变形对柔性基层路面荷载应力和疲劳寿命的影响均十分显著,因此柔性基层不适宜用于重交通和特重交通路面中;对于半刚性基层路面,当路基回弹模量达到40 MPa时,路基永久变形对路面荷载应力和疲劳寿命的影响均较弱,因此建议在路面结构设计中可予以忽略。     

基于分形级配方程的堆石料颗粒破碎SBG模型

准确预测堆石料在受剪过程中颗粒的破碎率以及相应的级配变化,是揭示堆石料在复杂应力状态下强度、渗透、变形等特性的基础。基于分形级配方程,建立了一个实现"应力应变—破碎指标—级配分布(SBG)"转换的模型。引入Einav破碎指标BE作为衡量颗粒破碎率的指标,对分形级配方程进行变形和积分,推导了颗粒破碎率B_E和分形维数D的数学转换,即"破碎指标—级配分布"的转换。对已有的三轴剪切试验数据进行分析,提出一个可以定量表示颗粒破碎率随剪应变和平均正应力变化的数学模型,模型共有3个参数a,b,c,参数b与土体的临界状态有关,根据临界剪应变可以直接确定。对两组不同的试验数据进行拟合,发现模型预测值与试验值具有较高的吻合度,实现"应力应变—破碎指标"的转换。将以上两种转变联立,成功预测了不同剪应变及平均正应力下堆石料的级配变化。     

Fatigue stress monitoring and analyses for steel box girder of Runyang Suspension Bridge

The monitoring of fatigue stress of steel bridge is a key issue of bridge health monitoring and safety assessment. This paper aims to find out the strain history features of the girder components of Runyang Suspension Bridge (RYSB) under vehicle and environmental loading during its first year of service based on the strain-history data recorded by structural health monitoring system installed in the bridge. The fatigue stress spectrums of steel box girders under normal traffic load, heavy trucks and typhoon loads were studied as well as the correlation between varying strain and temperature based on real-time monitoring of temperature histories. The results show that, monitoring on local strain in health monitoring systems of RYSB can effectively provide the information on fatigue stresses. The range of the equivalent fatigue stress on the monitoring location of the bridge is currently low, mainly due to varying traffic loading and temperature. There exists significant correlation between varying temperature and mean value of fatigue stress. Effect of the passing of heavy trucks on bridge fatigue is quite significant since the value of the cumulative fatigue damage generated by heavy trucks is 10 to 100 times larger than that by normal traffic. Therefore, the effect on fatigue cumulative damage due to heavy trucks or overloaded vehicles needs to be monitored and paid much attention to.