疲劳荷载后重载铁路桥梁剩余静载承载力试验研究

基于应变和振幅的疲劳试验实时测试系统,通过10片1/6缩尺模型梁疲劳试验,研究重载铁路桥梁疲劳后静载破坏形态以及振幅、刚度、非预应力筋和预应力筋应变、混凝土应变随反复荷载次数的变化规律。研究表明:重载铁路32m预应力混凝土梁疲劳后剩余静载承载力演变呈现"Z"字形三折线的3个阶段,即基本不变阶段、直线下降阶段和压弯失稳破坏阶段。第一阶段,疲劳后试件静载破坏形态与普通静载破坏形态相同,试件静载承载力基本保持不变;第二阶段,试件静载承载力直线下降,直至压弯失稳破坏,最终梁的剩余静载承载力降至原有承载力的50%~60%,主要由预应力筋提供。与普通静载破坏试验相比,疲劳后静载破坏试验不同的地方主要表现在混凝土、梁底普通钢筋和预应力筋等材料的应力-应变本构关系上,受压区混凝土残余应变不断增加,变形模量降低了20%~30%,普通钢筋和预应力筋残余应变也明显增加,但弹性模量和屈服强度(预应力筋极限强度)基本不变。     

考虑耐久性损伤的钢筋混凝土梁疲劳寿命试验研究

为研究主筋锈蚀、混凝土碳化等耐久性损伤后钢筋混凝土梁的疲劳性能,对1根钢筋未锈蚀静载对比梁、1根钢筋未锈蚀疲劳加载对比梁、4根钢筋锈蚀疲劳加载试验梁和4根混凝土碳化钢筋锈蚀疲劳加载试验梁进行了试验。试验梁钢筋平均锈蚀率均按6%、8%、10%、12%设计。结果表明:随着试验梁受力主筋锈蚀率增加,试验梁疲劳寿命显著降低,破坏形态由纵筋疲劳断裂演变为受压区混凝土沿梁纵向锈胀开裂,疲劳荷载作用后受压区出现纵、横、竖3个方向裂缝贯通混凝土崩裂并最终受压失效。试验梁最大跨中挠度随着锈蚀率的增加和疲劳加载次数的增加逐渐增大,试件梁抗弯刚度显著劣化。通过理论分析和试验结果拟合,提出以分段线性函数描述试验梁疲劳寿命与锈蚀率之间的关系,即以临界锈蚀率为界建立基于不同钢筋锈蚀率的锈损钢筋混凝土梁分段线性疲劳寿命预测模型。     

钢筋混凝土空心梁疲劳性能试验研究

对6根大比例钢筋混凝土空心梁进行静载和疲劳性能试验研究,每根梁取不同荷载幅度,研究不同疲劳次数下梁受压区混凝土和受拉区的钢筋的应变、梁的跨中挠度以及裂缝发展情况,得到不同的疲劳荷载应力幅作用下钢筋混凝土空心梁的疲劳寿命;根据试验结果拟合得到钢筋混凝土空心梁疲劳荷载作用下的S-N曲线,为由钢筋混凝土空心梁构成的桥梁结构寿命预测提供依据。对钢筋混凝土空心梁疲劳破坏后的钢筋进行静力学性能试验研究,了解钢筋混凝土空心梁疲劳破坏后钢筋力学性能的退化情况。     

局部受热锈蚀预应力混凝土梁力学性能试验研究

随着我国基础建设的发展,大量混凝土桥梁在恶劣环境影响下发生腐蚀和老化,腐蚀桥梁结构的灾害破坏机理研究对桥梁结构的运营安全具有重要意义。为研究已经锈蚀受损的桥梁在局部受热状态下的高温力学性能,设计10根预应力混凝土梁试件。其中对照组的2根试件在常温下加载,试验变量为预应力筋初始应力,试验组的8根试件在高温下加载,试验变量分别为钢筋锈蚀、预应力筋初始应力、初始荷载。首先,基于电化学原理对4根预应力混凝土梁进行钢筋加速锈蚀处理,然后利用复合高温试验炉对8根预应力混凝土梁(4根锈蚀、4根未锈蚀)在跨中进行三面受火试验。最后,采用数值方法对局部受热预应力混凝土梁进行了仿真分析。研究结果表明：局部受热条件下,预应力混凝土梁的承载能力会发生明显降低,下降幅度约为11.3%～14.9%;钢筋锈蚀导致的混凝土开裂会对预应力混凝土梁的抗火性能产生不利影响,主要表现为2个方面,1)相同试验条件下,锈蚀后的试件预应力增量更大;2)锈蚀试件在局部受热条件下承载能力下降幅度更大,约为19.4%～21.9%;增大预应力筋的初始应力可以减小预应力混凝土梁在局部受热时的高温蠕变变形;局部高温作用下预应力混凝土梁对初始荷...     

25t轴重作用下混凝土梁锈蚀疲劳问题初探

研究了２５ｔ轴重作用下混凝土桥梁的锈蚀疲劳评估方法。对混凝土中钢筋锈蚀的电化学过程从理论上进行了定量分析和描述，从钢筋的面积损失出发，利用分段线性的方法得到２５ｔ轴重作用下按中一活载设计的混凝土梁锈蚀疲劳的累积损伤度和剩余疲劳寿命。     

氯盐环境下钢筋混凝土梁的黏结试验研究

为分析腐蚀环境对钢筋混凝土构件黏结性能的影响,对6根无端部锚固的钢筋混凝土梁试件进行三分点加载黏结试验研究,其中1根为对比试件,其余5根均经过氯盐溶液浸泡腐蚀。分析试验结果发现:混凝土锈胀裂缝沿受拉钢筋布置位置分布,锈胀裂缝宽度随着钢筋锈蚀程度的增加而增大;加载过程中,随着荷载的增加,钢筋与混凝土产生相对滑移,二者不再满足变形协调;混凝土裂缝发展规律表现为由跨中向两端支座延伸,由混凝土梁底向顶部发展;随着荷载的继续增加,支座上方出现沿钢筋方向的黏结撕裂裂缝,最终发生黏结脆性破坏;试验梁极限承载能力随着锈蚀率的增加总体呈下降趋势,但在锈蚀率小于3%时,极限承载能力有微小提高。     

既有混凝土桥梁锈蚀疲劳问题的分段线性解

本文以钢筋的面积损伤作为基本假设，利用分段线性法来模拟混凝土梁的锈蚀疲劳过程，并得出按中－活载设计的混凝土梁在实施２５ｔ轴重技术的条件下考虑钢筋锈蚀的剩余疲劳寿命较不考虑钢筋锈蚀时低的基本结论。     

混凝土连续梁板中无黏结CFRP筋应力增长规律

使用CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)筋代替高强钢筋作为预应力筋,环氧涂层钢筋作为非预应力筋,可避免因预应力筋锈蚀而引起的结构物承载力下降和耐久性降低。把握无黏结CFRP筋应力增长规律是准确计算无黏结CFRP筋预应力混凝土梁(板)刚度、裂缝开展宽度及抗弯承载力的基础。针对无黏结预应力混凝土梁板在承载过程中无黏结CFRP筋不符合变形平截面假定的特点,应用等刚度法及弯矩-曲率非线性分析法,编制可用于分别考察正常使用极限状态和承载能力极限状态无黏结CFRP筋应力增长规律的计算程序。基于大量电算分析结果,得到受拉区非预应力筋配筋指标、预应力筋配筋指标、CFRP筋弹性模量、加载形式、跨高比、预应力筋合力点至受压区边缘的距离、受压区非预应力筋及受压翼缘等参数对正常使用阶段及正截面承载能力极限状态下连续梁板中无黏结CFRP筋应力增长的影响规律;建立部分预应力混凝土连续梁板中无黏结CFRP筋在正常使用阶段和正截面承载能力极限状态下应力增量的计算公式。     

长期腐蚀环境影响下GFRP-钢混合配筋混凝土构件的抗弯性能研究

为了研究长期腐蚀环境影响下GFRP-钢混合配筋混凝土构件的抗弯性能,分别研究水分、温度以及酸碱环境等多种因素长期作用下,GFRP筋与钢筋抗拉强度、有效受拉面积以及同混凝土黏结性能方面的变化。基于构件腐蚀后老化GFRP筋、锈蚀钢筋同混凝土协同工作关系发生的变化,通过构造新的几何条件,推导腐蚀GFRP-钢混合配筋混凝土构件正截面抗弯承载力的计算公式,利用推导的公式分析不同GFRP筋老化率及钢筋锈蚀率对构件抗弯承载力的影响。研究结果表明:GFRP-钢混合配筋混凝土构件在腐蚀环境长期作用下,GFRP筋与钢筋在抗拉强度、有效受拉面积以及黏结性能方面都有不同程度的降低;随着GFRP筋材料老化率、钢筋锈蚀率的不断增加,构件抗弯承载力损失率也不断增加,当GFRP筋老化率达到27%时,钢筋锈蚀率达到35%,构件抗弯承载力也相应损失21.46%。     

跨座式单轨交通PC轨道梁静载及疲劳试验研究

在重庆市跨座式单轨交通系统PC轨道梁的静载及疲劳试验中,研究了混凝土应力、挠度、刚度以及梁体基频、阻尼系数等与疲劳循环次数的关系.静载试验结果表明,梁体抗裂性、有效预应力及强度安全系数均能满足设计要求.疲劳试验表明,受压区混凝土应力幅较低,一般不会发生疲劳破坏.梁体基频等动力特性随疲劳次数增加有所降低,但在100万次疲劳加载后趋于稳定.     

大轴重列车对既有线32m预应力混凝土简支T梁的疲劳影响研究

以朔黄铁路为工程背景,从疲劳抗裂的角度对列车轴重250 kN、280 kN、300 kN、330 kN、350 kN、400 kN情况下,对朔黄铁路32 m正常高度预应力混凝土简支T梁的疲劳抗裂性进行分析。通过正截面疲劳应力分析可知:1250 kN轴重时,梁体在循环次数达500万次左右才会出现消压,1 800万次左右开裂;2280 kN轴重时,梁体在循环次数达150万次左右就会出现消压,800万次左右开裂;3300 kN轴重时,梁体在循环次数达51万次左右已开始消压,450万次左右开裂;4330 kN轴重时,梁体在循环次数达3万次左右已开始消压,150万次左右开裂;5350 kN轴重时,梁体在循环次数达1000次左右就开始消压,59万次左右开裂;6400 kN轴重时,梁体在循环次数达100次左右已出现开裂。因此,既有朔黄铁路重载运输的列车轴重从23t提高到300 kN是较为适宜的。     

40Cr钢超高周疲劳性能及疲劳断口分析

采用超声疲劳试验方法研究40Cr钢在105周次～1010周次范围内的疲劳性能,其载荷频率为20kHz。用扫描电子显微镜分析了疲劳断口形貌特征。结果表明,40Cr钢的S N曲线始终保持下降趋势,且随疲劳循环数的增加,在106周次处并没有传统意义上的水平段;107周次疲劳强度为443MPa,1010周次疲劳强度为235MPa,二者存在明显差别;超声疲劳断口的扫描电子显微分析结果表明,40Cr钢超声疲劳断口显微形貌与常规疲劳载荷下的疲劳断口形貌无明显差异,疲劳裂纹在光滑试样表面或近表面材料缺陷处萌生,扩展区断口显微形貌观察到明显的疲劳辉纹。     

铝合金筋混凝土在地铁工程中的应用探索

对于含有腐蚀性介质的地下环境中的地铁工程,钢筋混凝土结构容易因钢筋锈蚀而造成耐久性和安全性降低。从防止受力钢筋锈蚀的角度出发,探索将铝合金筋应用于地铁工程混凝土结构的可行性;基于现行《混凝土结构设计规范》及铝合金材料的力学性能特点,推导铝合金筋混凝土梁正截面受弯承载力计算表达式,并通过现有9根铝合金筋混凝土梁受弯试验数据对表达式进行验证;基于现有研究成果对铝合金筋混凝土梁裂缝宽度的计算进行探索;从耐腐蚀性和经济性角度,对比普通钢筋混凝土梁及铝合金筋混凝土梁的使用寿命和工程造价,给出铝合金筋和普通钢筋混合使用的研究思路,为铝合金筋混凝土在地铁工程设计中的研究及应用提供了一定的方向和参考。     

主筋锈蚀对钢筋混凝土梁承载特性的影响

基于适当的钢筋、混凝土本构关系以及锈蚀钢筋和混凝土的黏结滑移模型,建立有限元模型,对5根不同主筋锈蚀率的钢筋混凝土梁进行承载特性分析。获得了梁中点处的荷载-挠度关系,受力筋的应变分布以及钢筋与混凝土之间的滑移分布。研究结果表明：随着受力筋锈蚀率的增大,钢筋混凝土梁的极限承载力降低,延性下降,受力筋的最大拉应变和伸长量逐渐增加,钢筋和混凝土之间的滑移量也大幅增加。     

预测碳纤维薄板增强RC梁抗弯疲劳寿命的AFN法

在碳纤维薄板(CFL)增强RC梁中,加固后构件的疲劳寿命受到被加固结构本身性能、加固材料性能以及荷载水平等因素的影响,加固效果具有明显的非线性,加固后疲劳寿命难以显式表达。本文采用AFN法预测加固梁的疲劳寿命:用层次分析法(Analytic hierarchy process)对影响疲劳寿命的主要因素进行分析;用模糊聚类法(Fuzzy clustering)确定训练样本;运用神经网络方法(Neural network),建立疲劳寿命隐函数关系式,从而预测CFL加固梁抗弯疲劳寿命。以疲劳试验数据为样本,用层次分析法选取最大荷载、CFL的应力水平、初始挠度、循环次数为200时跨中挠度的试验数据作为疲劳寿命隐函数的随机变量输入单元,以CFL加固梁的抗弯疲劳寿命作为输出单元。通过预测值与试验值的对比分析,验证了AFN法预测CFL增强RC梁抗弯疲劳寿命的合理性。     

大跨度钢箱梁斜拉桥索梁锚固区传力机理

结合南京长江二桥、安庆长江大桥、苏通长江大桥索梁锚固区足尺模型疲劳试验及有限元分析,研究索梁锚固区的传力机理及应力分布。研究表明,由斜拉索传来的巨大压力,通过锚箱底板、承压板与腹板的连接焊缝,以剪力的形式传递到钢箱梁腹板上;锚箱与主梁腹板焊缝处的应力从上到下逐渐增大,在下端达到最大值,承压板上的应力稍小,均满足强度要求;经200万次和400万次(苏通大桥)疲劳加载,均未发现有裂纹发生,应力均无大的变化。验证了设计的正确性和制造工艺的可行性。     

碳纤维与钢板复合加固钢筋混凝土梁裂缝的试验研究

通过1根原梁、3根碳纤维与钢板复合加固梁和3根碳纤维加固梁的受弯性能试验,研究碳纤维与钢板复合加固钢筋混凝土梁的裂缝发展机理及裂缝宽度计算方法。研究表明,加固梁的裂缝间距和裂缝宽度均小于原梁,但次生裂缝有所增加;复合加固梁的裂缝发展速度比碳纤维加固梁缓慢,说明复合加固的限裂作用优于碳纤维;随着负载的增加,加固梁裂缝的发展速度加快,限裂作用随之减弱,最大裂缝宽度曲线出现突变,说明负载降低了加固的限裂作用,但负载对复合加固限裂作用的影响比碳纤维加固小。基于传统裂缝计算理论,引入复合加固粘结作用相关系数和负载影响系数,推导出考虑复合加固粘结作用及负载影响的复合加固梁裂缝宽度计算式。该公式的计算值与试验值吻合较好,计算方法简便,可用于工程设计。     

基于疲劳驱动力能量损伤参数修正的非线性疲劳寿命预测

针对疲劳驱动力能量模型中变幅载荷间交互因子难以确定的问题,考虑载荷大小次序、载荷间的干涉以及疲劳损伤程度等因素对变幅载荷作用下损伤累积规律的影响,在引入能量准则确定损伤参数的基础上,将变幅载荷应力比、载荷循环比、疲劳损伤程度引入载荷间交互因子的计算,建立分别采用载荷循环次数比和实时疲劳损伤对交互因子进行修正的改进非线性疲劳寿命预测模型。根据Q235B和铝合金2种常用材料的焊接接头在多级变幅载荷作用下的试验数据,对改进的疲劳寿命预测模型的预测能力进行验证。结果表明:在变幅载荷作用下,改进的疲劳寿命预测模型能有效地对焊接结构的疲劳寿命进行预测,相比其他模型更接近于试验结果,且模型中仅含有2个比较容易通过试验确定的常规参数,无需引入其他参数,便于应用于实际工程结构的分析及设计。     

铁道车辆疲劳可靠性设计Goodman-Smith图的绘制与应用

研究铁道车辆疲劳可靠性设计Goodman-Smith图的绘制及其应用方法.提出基于中短与长寿命概率疲劳S-N曲线,确定任意可靠性水平的疲劳强度,以及计算疲劳可靠性设计Goodman-Smith图中转折点坐标的全概率方法.研究表明：以车轮旋转一周、疲劳主应力交变一次为基本循环特征,疲劳寿命用行驶里程表示,以万km为基本单位来绘制铁道车辆的疲劳可靠性设计Goodman-Smith图较为合理.当结构的设计寿命和循环特征与Goodman-Smith图存在差异时,引入换算系数进行修正;当结构部件的疲劳载荷模式与绘制Goodman-Smith图试样的试验载荷模式存在差异时,引入折算系数进行修正;当结构部件的结构形状与尺寸、表面质量、环境条件等可能与绘制Goodman-Smith图的试样存在差异时,引入相应修正系数进行修正;分别给出了上述3种修正系数的表达式.并以LZ50钢疲劳可靠性设计Goodman-Smith图的绘制、修正及其在铁道车辆车轴设计中的应用为例,验证了方法的可行性.