钢箱梁正交异性桥面板疲劳评估全空间S-N曲线研究

全空间S-N曲线是利用时序准则进行钢箱梁正交异性桥面板疲劳评估的基础。首先基于钢桥设计规范给出的有限疲劳寿命区S-N曲线,从理论上推导了覆盖低周疲劳寿命区、有限疲劳寿命区和高周疲劳寿命区的一般全空间S-N曲线模型。进一步针对小型汽车和日常风等荷载引起的低水平应力幅以及地震和强风等荷载引起的高水平应力幅,引入高周疲劳损伤累积因子和低周疲劳强度调整因子分别对低水平应力幅和高水平应力幅造成的疲劳损伤进行计算,提出一种适用于钢箱梁正交异性桥面板疲劳评估的全空间S-N曲线模型。在此基础上对模型参数的几何意义进行了解释。最后采用正交异性桥面板顶板-U肋疲劳试验数据对模型参数进行了估计,得到了具有最佳拟合度的全空间S-N曲线和具有99%保证率的疲劳评估全空间S-N曲线。研究结果表明,该文提出的全空间S-N曲线模型能准确描述钢箱梁正交异性桥面板在各种应力幅下的疲劳损伤累积特性。研究结果可为钢箱梁正交异性桥面板的疲劳评估奠定基础。     

正交异性钢桥面疲劳开裂研究

正交异性钢桥面板的钢结构桥梁在车辆荷载作用下易出现疲劳开裂,为了解决这一问题,该文采用在正交异性钢桥面板上设置薄层RPC(Reactive-Powder-Concrete)超高性能混凝土层,将钢桥面转变成组合桥面,从而提高了桥面刚度,能有效改善结构受力状态,且不会增加桥梁上恒载重量。通过对某大桥的计算分析表明:采用组合桥面后,车辆荷载作用下的钢桥面应力大幅度下降。钢桥面疲劳敏感点处的拉应力降幅达到71.32%~72.39%,大幅度的提高了钢桥面的抗疲劳寿命;薄层RPC面板的高强度和高韧性,完全能满足组合桥面的最大拉应力10.08MPa的强度要求,成为钢桥面上的永久结构层,可以大幅度降低钢桥面板的开裂风险。     

正交异性钢桥面板典型细节疲劳强度研究

为合理确定正交异性钢桥面板疲劳强度,该文对国内外疲劳试验成果进行分析,确定有效的钢桥面板疲劳试验数据,结合典型细节疲劳开裂机理,提出适应于中国抗疲劳设计与建造水平的钢桥面板疲劳强度等级(200万次循环对应的疲劳强度)。研究结果表明:顶板与纵肋连接细节疲劳强度受焊缝型式影响较大,采用角焊缝连接时疲劳强度为50级,采用部分熔透焊缝连接时为60级;纵肋与横隔板连接细节横隔板焊趾处疲劳强度为70级,纵肋腹板焊趾处为55级;横隔板挖孔细节疲劳强度为70级;纵肋拼接细节疲劳强度与拼装间隙密切相关,拼装间隙小于3 mm时疲劳强度为40级,拼装间隙4 mm～6 mm时疲劳强度为70级,拼装间隙8 mm～12 mm时疲劳强度为100级。纵肋与横隔板连接细节横隔板焊趾处、横隔板挖孔细节和纵肋拼接细节疲劳强度与现行中国JTG D64规范一致,而顶板与纵肋连接细节、纵肋与横隔板连接细节纵肋腹板焊趾处疲劳强度低于JTG D64中的疲劳强度等级。在进行正交异性钢桥面板抗疲劳设计或疲劳评估时,应综合考虑细节构造、制造质量以及实际使用状况等因素,采用合理的疲劳强度等级。     

基于条件随机场的钢箱梁正交异性板疲劳微裂纹检测

钢箱梁正交异性板在桥梁建设中应用广泛,对此类结构疲劳损伤进行无损检测并发现病害特征,有利于及时的进行现场维修加固。该文使用高倍数显微相机进行疲劳微裂纹的检测,提出基于条件随机场(CRFs)的金属疲劳微裂纹检测算法,该方法使用单个像素的表观特征来进行裂纹判别,同时也考虑其他像素标注值间的影响,从而很好地抑制离散噪音点。通过多种表观特征和机器学习方式自动识别出区分性最强的特征从而加以选择使用。实验结果表明,基于CRFs模型的裂纹检测方法对于试件6～16万次的图像裂纹宽度测量与人工测量值非常接近,这为钢箱梁正交异性板疲劳损伤快速检测提供可靠的分析手段。     

正交异性板钢桥面的设计计算

本文对正交异性板钢桥面的合理设计计算进行探讨。（１）研究分析国内外桥梁中正交异性板钢桥面设计的计算；（２）结合我国桥梁荷载轴重及其加载原则，应用有限条方法，建立适当的位移函数，把荷载用Ｆｏｕｒｉｅｒ级数表示，求解其恒载和活载效应；（３）将有限条方法对悬索桥正交异性板钢桥面进行计算分析的结果与Ｐｅｌｉｋａｎ－Ｅｓｓｌｉｎｇｅｒ方法计算结果进行了比较。     

杂交有限条法及其在正交异性板上的应用

本文建立了一种杂交有限条法,并应用于各向同性板和各向异性板。这工作是基于修正余能原理进行的。在有限条列式的过程中,在条中假设应力场而在条的边界上假设位移场。数值计算表明,过种方法是合理的,能较快地逼近准确解。      

正交异性矩形板非线性的固有热振动

采用改进的L-P法及伽辽金原理研究正交异性矩形板非线性的固有热振动，并讨论分析了温度、长宽比等因素对正交异性矩形板非线性固有热振动频率的影响。     

有限宽正交异性薄板应力集中的试验研究

本文介绍应用平面光弹性试验和三应变片电测外推法。测定中心有圆孔的有限宽正交异性弹性拉板的应力集中系数。经比较,二者的数据相当吻合,表明这二种方法都是有效的。     

正交异性矩形薄板自由振动的一般解析解

本文建立了正交异性矩形薄板自由振动横向位移函数微分方程的一般解。可用来求解任意边界矩形板的振动问题。作为例题,计算了复合材料悬臂层合板的频率。其结果与试验值基本吻合。     

桥面铺装对钢桥面板疲劳应力幅的影响

钢桥面板厚度小,铺装层的相对刚度较大,钢桥面板疲劳设计时,应该考虑铺装层与钢桥面板的共同作用。假设桥面铺装与顶板没有相对滑移,采用有限元方法探讨了桥面铺装弹性模量和厚度对正交异性钢桥面板疲劳应力幅的影响。     

Fatigue crack initiation prediction of cope hole details in orthotropic steel deck using the theory of critical distances

Orthotropic steel decks are vulnerable to fatigue cracking in welded connections and complex geometrical details. A total of three fatigue tests were conducted on segments of orthotropic steel deck to evaluate the fatigue performance of trough‐to‐crossbeam connections with various cut‐out configurations. In the tests, the specimens were subjected to cyclic three‐point bending load and the fatigue cracks were more likely to initiate from the cope holes in the crossbeam web rather than the trough‐to‐crossbeam fillet welds. Three‐dimensional finite element models (FEM) of the specimens were built and validated by the measured deflections and stresses. Using the validated FEM, the characteristic stresses based on the theory of critical distances (TCD) were calculated for the stress concentrations along the cope holes. The fatigue crack initiation life, predicted by the TCD‐based stress combined with the plain material S–N curve, agreed reasonably with the fatigue test results. The TCD method could further form a basis of fatigue crack propagation analysis using the fracture mechanics approaches.     

Effect of pavement design parameters on the behaviour of orthotropic steel bridge deck pavements under traffic loading

This study evaluated the effect of the pavement design parameters on the behaviour of orthotropic steel bridge deck pavements under traffic loading using a three-dimensional finite element model. Four types of paving materials were considered in this analysis: polymer concrete, epoxy asphalt concrete, polymer-modified stone mastic asphalt concrete and mastic asphalt concrete. The maximum transverse tensile strain was developed at the bottom of the pavement under a tyre of dual tyres or on top of the pavement between two tyres. From the sensitivity analysis, better interface bonding between the deck plate and pavement led to a significant enhancement of bottom-up fatigue cracking resistance, especially for 40-mm-thick pavements. As pavement temperature increased from ? 20 to 60°C, critical tensile strain increased significantly, and corresponding locations moved from the bottom to the top of the deck pavement.     

Fatigue reliability assessment for orthotropic steel deck details under traffic flow and temperature loading

A new fatigue reliability assessment function which takes into account the vehicle and temperature loadings has been developed in this study. The vehicle and temperature loadings are important parameters as they can cause fatigue failure of the welds in a steel box girder. The temperature affects the traffic loading effect by changing the elastic modulus of asphalt pavement. The effect of the temperature difference has been considered based on the measured data and the finite element analysis. Linear regression equations between the equivalent stress and the temperature for different vehicle types have been developed. Using the thermal stress analysis and the rain-flow counting method, the temperature difference fatigue stress spectrum has been determined. Further, a limit equation for the fatigue reliability assessment, which takes into account both the vehicle and temperature loadings, has been developed. Finally, the effects of the temperature and the traffic growth rate on the fatigue reliability of two welding types of Nan-xi Yangtze River Suspension Bridge have been assessed.     

正交异性钢桥面板疲劳问题的研究进展

为明确横向负弯矩作用下,剪力键形式、接缝设置情形、配筋率和钢混界面黏结状态等参数对钢-超高性能混凝土(ultra-high-performance concrete,UHPC)组合板受力性能的影响,完成了8块组合板局部足尺模型静力弯曲试验及有限元参数分析。试验结果表明：开孔板(perfobond leiste, PBL)试件的名义开裂强度(对应最大裂缝宽度为0.05 mm)较栓钉试件提高16.8%;矩形齿缝试件的名义开裂强度较整浇试件降低16%~23%;UHPC层钢筋配筋率从1.96%增加到2.82%时,名义开裂强度提高16.2%;钢板-UHPC界面涂油除黏PBL试件的初裂强度和名义开裂强度较界面黏结试件分别降低10.1%和5.8%。数值分析结果表明：PBL贯穿钢筋的存在、PBL和栓钉间距的减小能有效提高组合板的开裂后刚度;PBL开孔钢板上的孔径和孔间距对组合板的受力性能影响较小。

     

温度作用对带铺装层钢桥面板疲劳效应的影响研究

以润扬大桥悬索桥为考察对象,基于实测结果研究了铺装层温度变化对钢桥面板两类焊接细节疲劳效应的影响特征。由于润扬大桥悬索桥疲劳分析模型计算单元数多且耗时大,首先利用模型参数敏感度分析方法确定钢桥面板疲劳效应简化分析模型中的敏感参数,然后利用敏感系数矩阵迭代法计算各个敏感参数的最优取值。在此基础上建立了带铺装层钢桥面板的疲劳效应简化分析模型,并考察了不同温度作用下两类典型焊接细节的疲劳效应。分析结果表明:1)两类焊接细节的日等效应力幅与钢桥面板温度存在较强的线性相关性;2)钢桥面板疲劳效应的简化分析模型为顺桥向支承在横隔板上、横桥向支承在顶板纵肋上的局部受力结构体系;3)带铺装层钢桥面板的疲劳分析方法能够准确计算车辆荷载和温度共同作用下焊接细节的疲劳效应。     

考虑双非线性影响的大跨度上承式钢拱桥地震响应研究

以研究上承式大跨度钢拱桥的非线性地震响应和损伤机理为目的,应用考虑双非线性以及地震过程中轴力变化影响的计算方法,对跨度为200m的两铰拱桥和无铰拱桥设计方案进行了计算,分析了结构在强地震荷载作用下地震响应和损伤程度,比较了计算方法、输入地震波以及结构设计条件对地震响应计算结果的影响。结果表明,上承式钢拱桥具有较好的结构抗震性能,在强地震荷载作用下损伤程度不显著;钢拱桥在地震荷载作用下无卓越的振动振型,地震响应计算需考虑多个振型的影响;当拱肋轴力达到屈服轴力的20-30%时,弹塑性地震响应计算不宜忽略轴力变化的影响。几何非线性对拱肋的弯矩地震响应有较明显的影响;柔性的两铰拱桥由于自振周期长,受到的地震荷载比对应的无铰拱略小,损伤程度也相对较轻些;无铰拱桥在拱脚截面位置容易发生地震损伤,设计时应确保拱脚截面在屈服以后不发生局部失稳。     

南京长江第四大桥钢桥面铺装疲劳性能试验研究

结合南京长江第四大桥钢桥面铺装实体工程,开展铺装层混合料20℃疲劳性能试验。为了使试验结果能够更真实地反映主桥铺装的实际情况,直接采用主桥铺装使用的混合料成型试件,其中,带钢板复合梁试件为施工现场摊铺、碾压成型。室内试验对铺装结构单层采用劈裂疲劳试验,选择0.2、0.3、0.4、0.5、0.6这5个等级的应力水平,对组合结构采用带钢板复合梁疲劳试验,荷载水平为6 kN、7 kN、8 kN,并通过回归分析得到疲劳方程。     

运营状态下悬索桥钢桥面板疲劳效应监测与分析

基于润扬大桥悬索桥7个月的长期疲劳效应监测结果,建立了铺装层-钢桥面板一体化疲劳分析模型,并研究了两类关键焊接细节的疲劳效应与车流量、环境温度间的相关性关系。结果表明,两类焊接细节的应力循环次数与车流量线性相关而与环境温度无关,等效应力幅与环境温度线性相关而与车流量无关。由疲劳设计指南推荐的疲劳效应计算模型得到的应力循环次数较监测结果偏低,顶板-纵肋焊接细节的等效应力幅与监测结果吻合良好而纵肋对接焊接细节的结果较为保守。上述分析结果为疲劳设计指南的进一步改进和完善提供参考和依据。