重载铁路桥梁疲劳变形和裂缝扩展规律研究

按照"动静结合,以静制动"的试验方法,通过6片1/6缩尺模型梁疲劳试验,研究重载铁路桥梁疲劳变形和裂缝扩展规律。研究表明:重载铁路预应力混凝土桥梁疲劳开裂后的跨中挠度和裂缝扩展基本符合快速增长、稳定发展和急剧变化的"三阶段"发展规律;重载铁路预应力混凝土桥梁疲劳开裂后的跨中挠度可以按残余挠度和瞬时挠度进行计算;疲劳开裂后的裂缝不仅包括纯弯段内的正截面裂缝,还包括剪跨区内的弯剪斜裂缝和腹剪斜裂纹,前者主要出现在疲劳稳态阶段,后者主要出现在疲劳破坏阶段。根据试验结果,提出"损伤梁单元模型"和"经验公式拟合"两种跨中挠度计算方法,结果表明在疲劳稳态过程中,跨中挠度的放大系数在20%～30%左右,临近疲劳破坏时在80%～100%左右。此外,利用统计方法提出一个用疲劳循环次数比表征的增大系数,以此来考虑循环次数和疲劳寿命的影响,进而描述疲劳裂缝发展的"三阶段"规律,计算结果表明混合配筋合适的预应力混凝土梁发生梁底普通钢筋疲劳断裂破坏时,对应纯弯段最大主裂缝宽度约在0.50～0.55mm左右,该方法可以满足工程上的精度要求。     

基于光纤光栅传感技术的重载铁路预应力混凝土梁疲劳损伤试验研究

基于现有的一般测试方法,结合光纤光栅传感技术,提出了重载铁路预应力混凝土梁疲劳试验测试方法,并通过2根大比例模型梁验证了光纤光栅传感技术在预应力混凝土梁疲劳试验中应用的可行性。试验结果表明:光纤光栅传感器和FRP智能筋表现出精度高、量程大、稳定性好、耐疲劳等优点,在疲劳试验全过程中能够有效测试钢筋与预应力筋的应变;在33 t及以上轴重列车荷载长期作用下,32 m普通高度全预应力混凝土T形截面梁存在较大的疲劳开裂风险,其疲劳损伤破坏始于最外侧普通钢筋的疲劳破坏断裂,疲劳损伤开裂会引起梁的刚度明显降低和钢筋应力幅显著增加,大大缩短了梁的疲劳寿命。从安全和使用角度考虑,应严格控制该类型重载铁路预应力混凝土梁开裂及最大裂缝宽度。     

随机变幅疲劳荷载下预应力混凝土梁疲劳寿命的试验研究

基于实测的钢筋混凝土吊车梁疲劳荷载谱,经过适当的简化得到试验用随机变幅疲劳荷载谱,并通过MTS疲劳试验机实现了该随机变幅疲劳荷载谱作用下部分预应力混凝土梁的疲劳试验。试验结果表明,由随机变幅疲劳试验得出的构件疲劳寿命远低于由疲劳荷载上限值取为荷载谱均值的等幅疲劳试验得出的疲劳寿命,因此如果采用后者的试验结果去估算实际服役中的预应力混凝土构件的疲劳寿命是非常危险的。然后分别利用Miner准则、相对Miner准则和Corten-Dolan累积损伤准则对承受随机变幅疲劳荷载作用的试件疲劳寿命进行了估算。计算结果表明,改进的Corten-Dolan累积损伤准则精度最高,相对Miner准则也具有较高的精度,Miner准则的精度最低且偏于不安全。建议对预应力混凝土受弯构件进行随机变幅疲劳分析时采用改进的Corten-Dolan累积损伤准则或相对Miner准则。     

自密实预应力混凝土梁的疲劳性能试验研究

本文通过5根自密实和3根振捣密实混凝土模型梁的疲劳试验对比,研究了自密实部分预应力混凝土梁的疲劳性能,试验表明自密实与振捣密实混凝土梁的疲劳性能没有明显的差异,自密实混凝土梁的疲劳性能略优于振捣密实混凝土梁,但自密实混凝土结构仍可采用振捣密实混凝土结构疲劳理论和计算方法来进行分析。部分预应力混凝土梁的疲劳破坏一般是混凝土疲劳开裂,受拉非预应力钢筋疲劳断裂,一般不会出现预应力钢筋疲劳断裂和受压混凝土疲劳压碎;考虑混凝土的非线性性能计算受拉钢筋的疲劳应力幅值比按初始弹性状态计算受拉钢筋的疲劳应力幅值估计梁的疲劳寿命与试验结果具有更好的吻合性,更适用于自密实或振捣密实混凝土结构的疲劳寿命估计。     

预应力钢纤维混凝土板弯曲疲劳挠度试验研究

抗疲劳性能是结构及构件的重要性能指标之一,本文通过弯曲疲劳试验对3种钢纤维体积率(0%、1%、2%)的预应力钢纤维混凝土板在不同应力水平(0.75、0.80、0.85)下的弯曲疲劳挠度变化规律以及疲劳损伤特性进行了研究,得到了不同钢纤维体积率及不同应力水平下预应力钢纤维混凝土板的跨中挠度曲线,揭示了预应力钢纤维混凝土板的跨中挠度在疲劳过程中呈现3阶段分布并且在循环第Ⅱ阶段呈线性,疲劳破坏时板的挠度约为其初始挠度的2.4倍的规律。在此基础之上,根据M iner线性累积损伤理论建立了疲劳寿命预测模型,用该模型预测得出的疲劳寿命与实测寿命在3倍离散范围内。     

粉煤灰混凝土在铁路桥梁中应用的试验研究

对预应力粉煤灰高性能混凝土模型梁的疲劳试验及破坏试验情况进行了介绍，并通过分析其试验结果，指出高性能混凝土梁在疲劳荷载作用下性能稳定，且能满足桥梁破坏强度要求。     

无粘结部分预应力混凝土梁的疲劳性能试验研究

通过6片无粘结部分预应力混凝土梁和1片普通钢筋混凝土梁的疲劳试验,研究了这种结构的疲劳破坏形态以及刚度、钢筋应变、混凝土应变随着重复荷载次数的变化规律。研究表明:无粘结部分预应力混凝土梁的疲劳破坏主要是梁内受拉普通钢筋的疲劳断裂引起的,预应力钢筋和受压区混凝土的应力幅较低,一般不会发生疲劳破坏;荷载重复200×104次后,无粘结部分预应力混凝土梁刚度退化明显。文中还给出了无粘结部分预应力混凝土梁疲劳寿命的计算方法,所得计算值与试验值吻合较好。     

100MPa活性粉末混凝土梁抗弯疲劳性能试验研究

为进行预制预应力活性粉末混凝土道面板设计提供相关参数,采用一种强度为100 MPa的活性粉末混凝土,开展预应力-混凝土梁的疲劳性能试验;试验以抗弯拉强度的极限荷载为标准,取4种应力水平(0.70、0.75、0.80、0.85)下的荷载为疲劳荷载最大值,进行不同预应力(0、2、4 MPa)下的疲劳加载试验,并通过非接触式...     

预应力钢纤维混凝土板弯曲疲劳弹性模量试验研究

对三种不同钢纤维掺量(0%、1%、2%)的预应力钢纤维混凝土板在不同应力水平(0.80、0.85)下的疲劳弹性模量衰减规律进行研究,得到了预应力钢纤维混凝土板跨中下表面弹性模量衰减曲线以及同钢纤维掺量、同应力水平的跨中上表面弹性模量衰减曲线。揭示了预应力钢纤维混凝土板的弹性模量在弯曲疲劳过程中呈现三阶段衰减并且衰减曲线在第二阶段基本呈线性,当板发生疲劳破坏时其弹性模量衰减至初始弹性模量的59.9%左右的规律。在此基础上根据Miner累积损伤原理建立了疲劳寿命预测模型并提出了采用微损试验来预测疲劳寿命的方法,用该方法预测的疲劳寿命与实测寿命在三倍离散范围内。     

低温钢纤维混凝土梁抗折疲劳特性的试验研究

在国内外有关钢纤维混凝土疲劳特性研究的基础上,试验研究了低温下钢纤维混凝土梁抗折疲劳特性.试验结果表明,应力水平对低温养护钢纤维混凝土梁抗折疲劳寿命产生显著影响,低应力水平下的疲劳寿命远远高于高应力水平下的疲劳寿命.     

梁拱组合铁路桥结构试验研究与分析

采用有限元程序对包西铁路跨黄延高速大桥梁拱组合体系进行空间受力分析,分析在设计荷载下的受力特性,并对成桥进行静载与动载试验。结果表明,梁拱组合体系实际受力与设计吻合较好,拱肋及梁体的实测应力值及挠度值相对较小,结构安全储备较大,动力测试结果表明梁拱组合体系动力特性良好。     

鸟嘴式K形方管节点疲劳性能试验研究

为研究鸟嘴式K形方管节点的疲劳性能,设计制作8个节点试件开展支管面内受荷工况下的疲劳试验。首先对试件进行静力加载,通过二次外推法得到焊趾处的热点应力值和应力集中系数(SCF),探明此类节点的热点应力分布规律和敏感热点位置。在此基础上开展高周常幅疲劳荷载试验,重点研究节点的疲劳破坏模式、裂纹扩展规律、刚度退化性能以及特征疲劳寿命等。结果表明:方型鸟嘴式K形搭接节点的最大SCF位于支管搭接区,其他节点的最大SCF均位于冠部支管热点;疲劳裂纹萌生于SCF最大值位置,并在萌生后较短时间内扩展贯穿壁厚;疲劳裂纹贯穿壁厚之后的节点刚度退化明显,但累计刚度退化在10%以内;IIW和API规范的S-N曲线可用于常规壁厚的鸟嘴式节点疲劳寿命预测,其对薄壁鸟嘴式节点的适用性还有待验证。     

铁路桥梁用高性能混凝土的力学性能试验研究

作为重要桥型之一的拱桥,跨径的不断增长是其重要发展趋势,而高性能混凝土为拱桥跨径的飞跃提供了有效载体。研究了C80~C100高性能混凝土的制备和力学性能评价,形成了铁路桥梁用C80~C100高性能混凝土的配合比,并揭示了立方体抗压强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度、弹性模量、剪切变形模量及泊松比等力学性能指标,为铁路桥梁用C80~C100混凝土的结构设计提供了取值依据。     

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。     

High-cycle fatigue behavior of riveted connections for railway metal bridges

The evaluation of existing structures, in particular bridges, is becoming increasingly important. In particular for railway bridges, service loads and stress cycles accumulated under traffic loads, and the consequent ageing of existing structures, lead to the need for an assessment of their remaining fatigue life, in order to decide on retrofit or structure replacement. In this context, a 12.4 m span railway bridge near Sacile, Italy, with a common structural scheme for railway bridges, about ninety years old, was taken out of service, transported to a structural laboratory and subjected to both material characterization, monotonic and high-cycle fatigue shear tests. Materials exhibited a yield strength and a tensile strength of about 322 and 421 MPa, respectively, and the hot-spot critical details resulted in the riveted connections of the shear diaphragms that carried the rails. Other material properties that affected the fatigue endurance in a favorable way, and are not taken explicitly into account in structural Codes, were determined. As a result, the equating of riveted shear splices with splices jointed with non-preloaded bolts has been shown, and Eurocode 3-1-9 [EN 1993-1-9. Eurocode 3: Design of steel structures — part 1-9: Fatigue, Brussels: CEN; 2005] design rules have resulted on the safe side, even though no specific category of riveted details has been found to be available.     

Experimental investigation of double composite twin-girder railway bridges

A railway bridge with a double composite section has been proposed to enhance the structural performance of existing twin-girder bridges, because the governing design parameter of railway bridges is flexural stiffness. The concrete deck in negative moment regions is neglected in the design of continuous composite bridges assuming the concrete slab has no resistance to tension. Therefore, the flexural stiffness of the composite section in the negative moment region is reduced, resulting in an increase of the depth of the steel section. In this study, push-out tests on lying studs and mixed stud shear connection with lying and vertical studs were performed to investigate the behavior of the shear connection in the double composite section. In addition, the static strength of the shear connection was evaluated. This study focuses on continuous two girder bridge models of 5m-5m span length with the proposed double composite section. From the static tests on the bridge models, several design considerations were investigated including the effective width, shear connection, and ultimate strength of the double composite section. Based on the test results, design guidelines and innovative twin-girder bridges were suggested.     

Remaining fatigue life of steel railway bridges under enhanced axle loads

In this study, various fatigue damage models proposed by researchers have been briefly discussed and found that the models are problem specific and their efficacy needs to be checked for high cyclic fatigue cases such as in railway bridges. Towards this, field studies were conducted to obtain the strain responses from a steel bridge during the passage of scheduled trains and test train formation with enhanced axle loading. Instrumentation was carried out at critical locations to obtain the responses from the girder. Three different scenarios have been considered to avoid the influence of noise. Further, numerical simulation of the bridge subjected to train loading at different speeds was carried out using ANSYS to obtain synthetic data of strain response from the validated finite element model. Analysis was carried out for normal as well as for futuristic speed of the trains. Responses obtained from field measurements as well as from numerical investigations were used to calculate the damage indices. Based on the damage indices, remaining fatigue life of the bridge was evaluated. The present study can be helpful in assessing the health condition of the railway bridges and to check the suitability of further increase in axle load or speed of trains.     

钢桥的疲劳问题研究方法探讨

简要论述了目前对钢结构桥梁进行疲劳问题研究的3种主要方法:传统疲劳分析方法、断裂力学分析方法和损伤力学分析方法,对每种方法的优缺点以及适用性进行了分析,可为工程中选择正确方法进行钢桥疲劳分析提供指导。     

重载列车作用下桥墩-桩基竖向动荷载特性试验研究

为探明大轴重、长编组和高密度重载列车作用下桥墩和桩基承台顶的动荷载特性,开展不同车速和轴重条件下的桥墩-桩基体系竖向动荷载响应现场试验。分析桥墩动荷载曲线的时域、频域特征,采用Kolmogorov法对动荷载幅值进行正态性检验,建立列车参数与动荷载频域特征的联系;基于3σ原则对不同敞车作用下的动荷载特征值(均值、均幅值和均峰值)进行统计,结合实测数据建立重载列车作用下的墩顶动力系数计算公式,并提出墩顶和桩基承台顶的荷载谱公式及其参数取值。结果表明:动荷载响应在时域上可分为快速增加,周期波动和快速衰减3个阶段,在频域上服从倍频规律和幅值调制效应,0～5Hz频段激振对动荷载起控制作用;动荷载幅值服从正态分布,动荷载均峰值和振动能量沿墩身衰减明显,动荷载均值和均峰值随轴重增大而增大,均幅值随轴重的增加而减小;建议采用φ=1+0.0045v计算墩顶动力系数,采用三角级数式拟合桥墩荷载谱效果显著。研究成果可为重载列车作用下桩基的长期承载变形性状及环境振动评估的研究提供关键参数和可靠检验样本。     

地震作用下双曲面球型减隔震支座在铁路#br# 简支梁桥中的动力行为

为研究双曲面球型减隔震支座在铁路简支梁桥中的减隔震效果,采用ABAQUS软件建立8m及25m墩高的铁路简支梁桥有限元模型,进行地震荷载作用下的非线性动力时程分析。通过对有限元计算结果与振动台模型试验结果进行对比,验证有限元模型的正确性。与普通球型钢支座作对比,分析地震作用下双曲面球型减隔震支座的水平滑动位移、竖向位移和竖向荷载变化等动力行为。研究得到双曲面球型减隔震支座在不同地震烈度下的水平滑动位移范围。研究结果表明：相对于普通支座,双曲面球型减隔震支座在大多数情况下,能明显减小顺桥向地震作用造成的简支梁固定端与滑动端之间的竖向相对位移,对轨道结构造成的不利影响更小;双曲面球型支座能显著降低横桥向地震作用造成的支座竖向荷载变化幅值,并有效避免支座滑动面发生脱离碰撞。