考虑微动疲劳的斜拉桥钢绞线斜拉索时变可靠性分析

腐蚀与微动疲劳是钢绞线斜拉索退化的主要原因,与平行钢丝索相比,钢绞线斜拉索钢丝之间的相互作用力大,微动疲劳作用明显。基于时变可靠性理论,利用有限元软件ANSYS建立钢绞线钢丝接触模型求解钢丝之间的相互作用力,以此给出微动疲劳随时间发展的表达式,构造了钢绞线斜拉索抗力退化函数,进而建立同时考虑腐蚀与微动疲劳的钢绞线斜拉索时变可靠性模型。计算结果表明,以可靠指标β=4.7作为结构失效标准,与不考虑微动疲劳的钢绞线斜拉索相比,考虑微动疲劳的钢绞线斜拉索可靠性下降速度加快,寿命缩短6.3年。研究结果对探明钢绞线斜拉索退化机理,评估其使用寿命具有比较重要的理论与实际意义。     

基于FS准则的钢绞线索微动疲劳分析和寿命预测

钢绞线索在大跨空间结构中应用广泛,而微动疲劳是导致钢绞线索失效的主要原因之一.与平行钢丝束索相比,钢绞线索的丝间作用力更大,微动疲劳破坏也更严重.针对钢绞线索的疲劳失效问题,建立了交错捻制的钢绞线索的精细有限元模型,通过子模型技术对层间钢丝接触部分的应力、应变进行精确的计算;基于FS多轴疲劳寿命预测准则建立了钢绞线索的疲劳寿命数值仿真分析方法,通过对比不同材料疲劳参数估计方法预测了钢绞线索疲劳寿命,并进行了试验验证.结果表明,FS准则能有效反映钢绞线索内钢丝之间微动斑的分布规律和疲劳破坏的位置,也能有效反映钢丝微动破坏的平面.通过有限元数值仿真和多轴疲劳寿命计算得到的疲劳寿命与试验结果的误差为8.08%～60.08%,具有一定的工程应用前景.     

基于三维Copula函数的蚀坑预测模型

通过盐雾腐蚀试验研究了钢绞线在不同应力幅作用下的腐蚀规律,并且观测了钢绞线的腐蚀形态.从概率角度出发,得到了钢绞线蚀坑长度、宽度和深度的独立分布形式,然后基于三维Copula函数得到三者之间的联合分布规律,提出了三维蚀坑预测模型,并通过显著性检验对该模型进行了验证.结果 表明:Clayton Copula函数对于模拟蚀坑三维联合分布具有较高的精度;蚀坑使得钢绞线的抗拉强度和延伸率急剧下降,是钢绞线疲劳寿命下降的主要原因;三维蚀坑预测模型的提出,可以为预测钢绞线的腐蚀疲劳寿命提供参考.     

新型防腐预应力钢绞线

为了从根本上解决特殊环境中 (主要是腐蚀环境、潮湿环境 )钢绞线的长久性防腐问题 ,一种从国外引进的环氧粉末喷涂防腐工艺设备 ,可以对组成钢绞线的芯线及外周 6根钢丝的表面在加热后用静电喷涂的方法 ,均匀地喷涂上专用环氧树脂粉末。经过冷却固化后 ,从而在钢丝表面形成一层厚度为 0 1 5～ 0 2 0ｍｍ的薄膜 ,此薄膜即为防止钢丝受腐蚀的保护膜 ;对腐蚀环境、潮湿环境等具有良好的耐蚀性 ,起到延长钢线的寿命的作用。涂有环氧树脂粉末的新型防腐钢绞线具有与母材钢绞线相同的强度特性 ,即强度不损失 ;还具有与普通钢绞线共用锚具和张拉…     

钢绞线表面积对其腐蚀速率模型的影响

在预应力混凝土构件中,钢绞线一般都是处在三维的钢筋骨架中,在被腐蚀时,它们各自腐蚀的同时还会相互影响,随着成束钢绞线的使用,钢绞线表面积变化将会对腐蚀速率产生影响。为了得到钢绞线表面积对其腐蚀速率模型的影响,本文通过试验对比了不同数目钢绞线组成的成束钢绞线的截面形式下的腐蚀速率,结果表明:成束钢绞线之间越紧密,通道越小,腐蚀速率越小;反之,通道越大,腐蚀速率也越大。同时结合已有的钢绞线腐蚀速率基本模型得到加钢绞线束根数变化的综合腐蚀速率模型。     

腐蚀钢绞线预应力混凝土梁的弯曲疲劳性能退化特征

采用与实际氯盐环境腐蚀效果更为接近的内掺盐加速腐蚀方式,制作4根不同掺盐率的钢绞线预应力混凝土梁试件并放置90 d以产生不同程度的腐蚀,然后对腐蚀梁试件进行疲劳加载直至出现断丝破坏,其中在每1×10⁵ 次疲劳作用后进行1次静力加载试验,以考察疲劳破坏、疲劳寿命退化以及弯曲刚度退化等特征。结果表明:钢绞线表现出典型的坑蚀特征;坑蚀钢丝在疲劳作用下会出现多个疲劳裂纹,其中1个裂纹最终发展至瞬断而成为梁疲劳破坏的标志;钢丝疲劳断口呈现出典型的宏观脆性断口特征,断口表面清晰可见蚀坑区、疲劳断裂区及瞬断区;梁的疲劳寿命随掺盐率增加呈指数函数关系退化;疲劳作用导致腐蚀梁的荷载 挠度曲线由前、后2个刚度不同但都近似呈直线的区段组成;氯盐作用和疲劳作用愈强,二者叠加引起梁的刚度退化也愈显著。     

腐蚀预应力钢绞线疲劳寿命概率模型

考虑腐蚀程度对钢绞线SN曲线斜率及指定应力幅下特征疲劳寿命的影响,将腐蚀程度作为协变量引入表征疲劳寿命的三参数Weibull模型,将疲劳寿命、应力幅及腐蚀程度统一在概率模型中,构建可以定量评价腐蚀影响的钢绞线疲劳寿命多参数Weibull模型。根据模型的物理含义给出参数取值的限制条件,推导模型参数的极大似然估计算法,进一步采用腐蚀钢绞线疲劳试验数据构建具有概率保证率的疲劳寿命随腐蚀程度与应力幅变化的空间曲面。研究表明：该多参数Weibull模型能够较好地评价腐蚀程度对钢绞线疲劳寿命的定量影响,钢绞线疲劳寿命随着腐蚀程度的增加而迅速减小,相对于应力幅而言腐蚀程度对钢绞线疲劳寿命的影响更显著。低应力幅条件下钢绞线疲劳寿命随腐蚀程度增大而降低更多,低应力幅时疲劳寿命对腐蚀更敏感。随着腐蚀程度的增加,指定疲劳寿命下的许用应力幅迅速降低。该多参数Weibull模型可为在役预应力混凝土结构疲劳性能评定提供理论依据。     

高温下1860级钢绞线钢丝力学性能试验研究

钢绞线高温力学性能是研究预应力结构抗火性能及受火灾后结构损伤鉴定与评估的基础,本文从同一根钢绞线边丝中截取16根钢丝试件进行高温下拉伸试验,得到高温下钢丝试件拉伸的力-位移曲线、应力-应变关系曲线以及屈服强度、极限强度、比例极限、弹性模量与试验温度的关系。试验结果表明,高温下钢绞线钢丝的应力-应变关系曲线随温度升高趋于平缓,力学性能指标随温度升高不断退化。本文试验结果可以为研究预应力结构抗火性能的计算与分析提供参考。     

腐蚀钢绞线预应力混凝土梁的受弯性能试验研究

为研究腐蚀钢绞线预应力混凝土梁的受弯性能退化特征,制作了5根先张预应力混凝土梁试件和5根钢管抽芯成孔后张预应力混凝土梁试件,并对每组中的4根梁进行了为期13个月的掺盐加速腐蚀(腐蚀率0.94%~2.87%),然后对10根梁进行了3分点静载试验。试验及分析结果表明:腐蚀钢绞线预应力混凝土梁正截面会发生两种典型的受弯破坏方式,一种是传统的适筋破坏(力筋强化→混凝土压碎),因腐蚀尚未影响到预应力钢筋强化到混凝土压碎的完整过程,因而不会导致梁的极限承载力和变形能力降低;另一种是压碎前腐蚀钢绞线钢丝率先被拉断(断丝破坏),这种破坏会导致梁的极限承载力和变形能力发生不同程度的降低;在腐蚀率不大(小于2.87%)的情况下,腐蚀对钢绞线预应力混凝土梁的开裂弯矩、初始强化弯矩、极限弯矩以及初始强化挠度的影响都不显著,但会导致断丝破坏梁的极限挠度(断丝时)明显减小;在极限荷载之后,梁仍可以维持较高的承载能力继续承载并发展残余变形。     

平行钢丝斜拉索疲劳性能评定I：钢丝疲劳寿命模型

平行钢丝斜拉索疲劳性能评定研究分为两部分,该文为第一部分：钢丝疲劳寿命模型。根据三参数幂函数应力-寿命模型与指定应力幅下疲劳寿命服从两参数Weibull分布,推导表征疲劳寿命的多参数Weibull模型,将疲劳寿命与应力幅统一在模型中。进一步根据疲劳截尾数据的条件概率分布建立疲劳模型参数EM估计算法,通过分析文献中钢绞线疲劳数据及研究开展的高强钢丝疲劳数据阐述多参数Weibull模型的适用性与优点。研究表明：该多参数Weibull模型能够较好地描述钢丝及钢绞线疲劳试验数据,指定应力幅时疲劳寿命简化为两参数Weibull分布,指定疲劳寿命时应力幅简化为三参数Weibull分布。文中提出的模型参数EM估计算法有效地解决了含有截尾数据的模型参数估计问题,采用全部疲劳试验数据进行模型参数估计,提高模型参数估计的准确性。     

腐蚀钢绞线和腐蚀钢筋与混凝土的粘结性能对比

为了对比腐蚀钢绞线和腐蚀钢筋与混凝土的粘结性能,通过加速腐蚀和拉拔试验得到二者的粘结特征参数和腐蚀特征,并对其进行了对比研究。研究发现,腐蚀钢绞线和腐蚀钢筋由于表面特征及微观结构的不同导致了其粘结性能的不同,主要表现在:腐蚀钢绞线的抗蚀效应更加明显,腐蚀速度更快;腐蚀钢筋的粘结滑移曲线存在一个较为明显的强化阶段,而腐蚀钢绞线却在粘结力下降后出现了相当长的水平阶段;腐蚀钢筋的极限粘结强度相对于腐蚀钢绞线退化得更快,两者的粘结刚度退化速度大致相当,而无论腐蚀与否,钢绞线的粘结刚度和残余滑移都较钢筋大。     

Prediction of the residual load-bearing capacity of naturally corroded beams using the variability of tension behaviour of corroded steel bars

This paper shows the residual behaviour of a highly corroded beam stored under sustained load in a chloride environment for 28 years. A non-corroded beam of the same age was also kept under sustained loading but in a non-aggressive environment as a control beam. Both beams were subjected to a three-point bending experiment until failure. The lower tensile reinforcement was extracted so that the tension properties of the corroded bars could be investigated. The yield strength, ultimate strength and ultimate strain of the corroded bars followed a normal distribution. Both the average value and the characteristic value of the yield strength, ultimate strength and ultimate strain were used to predict the residual mechanical performance of the beams. The changes in yield capacity and ultimate capacity of the corroded beam in comparison with the non-corroded beam are discussed in relation to the damage to the steel reinforcing bars. According to the variability of the residual behaviour of steel bars in tension experiment, it is possible to predict the variability in the load-bearing capacity of the corroded beams which fail due to the rupture of the tension bars.     

循环荷载作用下锈蚀钢材滞回性能与本构模型

为研究循环荷载作用下锈蚀钢材的滞回性能,采用人工加速腐蚀及自然暴露腐蚀的方法获取了17组锈蚀试件,并对其开展单调拉伸及循环加载试验,分析了单调拉伸曲线、滞回曲线和骨架曲线等的差异性,得到了锈蚀钢材单调拉伸与滞回性能退化规律,基于混合强化模型提出了材料参数随腐蚀程度、等效塑性应变的退化表达式,进而建立了锈蚀钢材塑性本构模型。研究结果表明：单调拉伸作用下,锈蚀导致钢材屈服平台缩短、抗拉强度和断裂伸长率降低;锈蚀钢材单调曲线和滞回曲线存在显著差别,锈蚀加剧钢材循环强化,循环损伤累积则进一步加剧锈蚀钢材延性退化,造成峰值点应变、断裂应变和滞回耗能大幅降低,但对抗拉强度的影响较小。通过锈蚀钢材塑性本构模型应力 应变模拟曲线与试验曲线的对比,验证了所提模型的可靠性。     

Anti-corrosion performance of bridge strands consisting of steel wires galvanised with zinc–aluminium alloy

Strands consisting of 19 parallel steel wires galvanised with zinc (Zn, 90%) and aluminium (Al, 10%) alloy were produced and accelerated corrosion tests were conducted, and the anti-corrosion performance was compared with the conventional strands galvanised with Zn. The strands were placed at a relative humidity (RH) of 60%, RH of 100% and the wet condition in the thermo-hygrostat at 40°C for 150 days. The mass loss due to corrosion of the strands galvanised with Zn–Al at an RH of 60% and 100% was small, and the strands had good corrosion resistance. The corroded mass of the strands at the wet condition was 15 times larger than that at RH of 100%. The strands galvanised with Zn–Al had lesser corrosion than those galvanised with Zn under the three environmental conditions. Corroded mass was larger in the surface wire, the inside wire and the centre wire in this order. The cross-sections of corroded strands were investigated by using a microscope and an electron probe micro-analyser showing that the corrosion product of Zn was porous and coarse. By contrast, the corrosion product of Zn–Al alloy was dense and hard to exfoliate from the steel layer. This difference made Zn–Al galvanised wire strands superior to Zn galvanised wire strands.     

预应力与非预应力AFRP加固腐蚀钢筋混凝土梁疲劳性能研究

对非预应力芳纶布(AFRP)加固和带永久锚具的预应力AFRP加固锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳性能进行研究。通过疲劳试验,探讨预应力水平和钢筋锈蚀程度对加固梁疲劳破坏机制、疲劳寿命、挠度等的影响。试验结果表明:预应力AFRP与非预应力加固梁的疲劳破坏机制相同,都为纵筋的疲劳断裂;预应力AFRP加固锈蚀混凝土梁的抗疲劳特性明显优于非预应力加固梁;预应力水平越高,中度腐蚀梁加固后疲劳寿命越高;锈蚀率越高,梁的疲劳寿命越低,重度锈蚀梁疲劳寿命的降低幅度比中度锈蚀梁更明显。通过与光面钢筋对比,获得锈蚀纵筋的等效疲劳切口系数K f。结果表明,钢筋锈蚀率的增加会导致K f增大,从而导致锈蚀梁疲劳寿命明显降低。基于试验结果,建立了预应力AFRP加固中度腐蚀钢筋混凝土梁疲劳寿命的计算公式,供桥梁加固设计参考。     

体外预应力对圆形水池池壁应力的影响分析

体外预应力是预应力钢绞线布置在混凝土截面之外的预应力,它是预应力体系的重要分支。本文采用有限元软件对体外预应力圆形水池的池壁进行受力分析,通过比较施加预压力前后池壁内力的变化,以及对比常规结构(体内预应力)圆形水池池壁内力,肯定了体外预应力在圆形水池中抵抗池壁环拉力和控制抗裂度方面的作用,并展望了体外预应力的应用前景。     

预应力轴心受拉钢构件高温性能试验及理论研究

进行了3根预应力轴心受拉钢构件高温试验研究。试验结果表明，高温下预应力轴心受拉构件中内置拉索和钢管所承受荷载比例随温度的变化而不断变化。升温初期拉索张力随温度升高不断增大，预应力轴心受拉钢构件轴向位移平稳发展，在达到峰值后，拉索张力随升温时间的延长而不断降低。在临界状态下，轴向位移增长很快， 预应力受拉构件中拉索均被拉断，外部钢管发生不同程度的颈缩现象。在试验结果的基础上，建立了预应力轴心受拉钢构件的有限元分析模型，得到了高温作用下预应力轴心拉杆中拉索张力和预应力钢杆轴向位移的时程全曲线。参数分析的结果表明：在其他条件相同时，预应力轴心受拉钢构件失效时的临界温度随着荷载比的增加而降低；当预应力比小于08时，预应力比对预应力轴心受拉钢构件失效时的临界温度的影响较小，当预应力比等于08时，预应力轴心受拉钢构件失效时的临界温度显著的提高；在其他条件相同时，预应力轴心受拉钢构件失效的临界温度随约束刚度比的增大而增大。最后对高温下预应力轴心受拉钢构件进行了理论分析，推导出预应力轴心受拉钢构件高温下差分计算方法，并以此为基础编写程序。通过计算结果与试验结果的对比，证明了差分计算方法的正确性。     

锈蚀钢筋力学性能的试验研究

本文通过对人工气候环境下加速锈蚀的钢筋进行拉伸试验,分析了锈蚀钢筋力学性能的退化规律,并与通电加速锈蚀的钢筋力学性能进行了对比.     

基于长度表征不均匀锈蚀钢筋力学性能研究

为研究锈蚀钢筋沿长度方向的锈蚀率变化规律及其对锈蚀钢筋力学性能的影响,对混凝土板中钢筋进行了电化学加速锈蚀试验.结果表明:通过控制混凝土密实度及浸泡方式,采用电化学加速锈蚀试验,可以得到沿截面及长度方向不均匀锈蚀的钢筋.锈蚀钢筋屈服荷载、极限荷载与微段最大锈蚀率有较大的相关性,且沿长度方向不均匀锈蚀参数随其平均质量损失率增加而增大.用微段最大锈蚀率计算得到的锈蚀钢筋屈服荷载预测值与试验值较为接近,可为相关研究提供参考.