基于断裂力学和长期监测数据的钢箱梁桥顶板U肋焊缝疲劳可靠度分析

针对钢箱梁桥顶板U肋嵌补段对接焊缝的构造特点与受力状态,以润扬大桥钢箱梁为研究对象,基于线弹性断裂力学和长期监测数据,提出了该焊缝的疲劳可靠度分析方法.基于有限厚板半椭圆表面裂纹模型推导了焊缝的临界损伤累积函数,采用随机模拟的方法建立了临界损伤累积函数的概率模型.针对焊缝疲劳荷载效应的多峰分布特征,采用高斯混合分布建立了等效应力范围的概率模型.研究表明,顶板U肋嵌补段对接焊缝的临界损伤累积函数服从对数正态分布;焊缝等效应力范围的概率模型可表述为多个高斯分量的加权平均;润扬斜拉桥焊缝的疲劳可靠度显著大于相同位置的润扬悬索桥焊缝,反映了两桥钢箱梁局部构造的差异.该方法可为同类型桥梁的疲劳可靠度分析提供参考.     

钢箱梁横隔板焊缝疲劳性能的锤击效果研究

针对钢箱梁横隔板与U肋连接焊缝疲劳细节,选取了三个局部试件作为研究对象,采用锤击装置对试件弧形缺口处焊缝的焊趾部位进行锤击处理,并采用疲劳试验机对处理后试件进行疲劳加载,对比分析试件的疲劳裂纹扩展情况、疲劳应力幅和疲劳强度的变化情况。同时,建立了局部锤击有限元模型,分析锤击部位的残余应力、塑性变形等,并结合疲劳试验结果,从疲劳裂纹萌生寿命、疲劳强度、锤击残余应力分布等角度,对锤击效果进行了评价。研究结果表明,锤击处理可有效提高横隔板与U肋连接焊缝的疲劳裂纹萌生寿命及疲劳强度;锤击处理可产生明显的塑性变形及残余应力,且两者均以焊趾为中心近似呈圆弧状分布;锤击深度为0.2mm时,锤击残余压应力沿板厚、垂直焊缝方向的分布范围均为3mm左右,从而改善构件的疲劳性能。     

钢箱梁疲劳裂纹特征超声波检测方法试验研究

采用疲劳裂纹标准试件对钢箱梁疲劳裂纹长度、宽度、深度、倾斜角度及开裂位置等特征进行超声波检测试验,研究钢箱梁疲劳裂纹特征超声波检测方法。依据理论计算和试验结果,对比分析每种裂纹检测波形及回波参数,提出1/3测长法,给出测长法判断依据的理论解,与实际检测结果相符合;针对裂纹深度,提出裂纹深度检测的精度提高的方法;建立裂纹倾斜角度、开裂位置判定计算公式。分析面板与U肋焊缝处不同类型裂纹检测结果,给出裂纹距焊趾距离K计算公式,并由K建立焊趾、焊根、未溶透部位疲劳裂纹判别方法。研究结果表明:疲劳裂纹特征与回波参数存在一定的相关性,疲劳裂纹特征检测方法具有较好的准确性。     

基于改进边缘检测的钢箱梁疲劳裂纹识别及量化方法研究

钢箱梁内部场景复杂,疲劳裂纹图像识别容易受到背景干扰.针对传统图像处理方法的识别局限性,提出了一种基于改进边缘检测算法的疲劳裂纹识别与量化方法.首先,通过边缘检测算法识别出裂纹特征点,并通过形态学处理提取出裂纹骨架线.其次,采用单目视觉方法进行裂纹的特征量化.通过张氏标定法,建立了相机成像模型,从而将裂纹特征点由像素坐标映射至空间坐标.最终,开展了疲劳裂纹识别与量化试验,将改进边缘检测算法与传统图像处理方法进行比较,并评估裂纹特征量化精度.研究结果表明：改进边缘检测算法通过引入双边滤波函数,可以在抑制焊缝噪声干扰的同时保留裂纹边缘特征,相比于传统边缘检测和自适应阈值分割算法,更适用于钢箱梁识别场景.在试验条件下,疲劳裂纹长度测量误差控制在5%以内.     

基于实测数据的润扬大桥悬索桥全寿命评估随机温度场模拟

为了得到桥梁全寿命评估的温度数据,提出了一种基于实测数据的钢箱梁桥随机温度场模拟方法.首先,采用最小二乘估计和假设检验,对润扬大桥悬索桥扁平钢箱梁为期5年的实测温度和温差进行了统计分析;然后,提出了一种复杂统计模式下样本序列模拟的数值逆变换抽样方法,并建立了扁平钢箱梁的全寿命评估随机温度场.研究结果表明:扁平钢箱梁实测温度服从2个正态分布的加权和,实测温差则服从1个Weibull分布和1个正态分布的加权和;利用数值逆变换抽样方法模拟得到的样本的概率密度函数与目标概率密度函数吻合良好;模拟温度场能准确描述扁平钢箱梁的温度特性.因此,该数值逆变换抽样方法能够准确模拟大跨悬索桥扁平钢箱梁全寿命期的随机温度场.     

碳纤维加固钢桥面板U肋对接焊缝疲劳试验

为探究钢桥面板U肋对接焊缝的疲劳开裂机理与修复加固方法,设计了2个带嵌补段的足尺单U肋试件模型,通过模型试验研究了该细节的疲劳破坏模式和实际疲劳抗力。随后,基于线弹性断裂力学方法建立碳纤维增强复合材料（CFRP）加固对接焊缝裂纹模型,通过数值模拟分别研究了CFRP布层数、CFRP布尺寸对疲劳性能的影响。最后,针对U肋对接焊缝介绍粘贴CFRP布无损修复方法和施工工艺流程,并对CFRP布粘贴修复后的裂纹试件进行疲劳测试。结果表明：U肋对接焊缝的疲劳易损点均出现在U肋圆弧过渡处,平均疲劳强度仅为59.7 MPa。经3层CFRP布修复后,不同损伤程度的焊缝疲劳强度约为未加固试件的0.8~2.6倍。粘贴CFRP布能够有效改善钢桥面板U肋对接焊缝的疲劳性能,且满足实桥无损修复的需求。     

润扬悬索桥扁平钢箱梁局部应力的测试与分析

为了计算钢箱梁的局部应力并与现场实测进行对比分析,基于子模型法提出了大跨悬索桥扁平钢箱梁应力分析的数值计算方法.以润扬悬索桥为例,建立全桥的整体结构尺度模型,并通过成桥试验验证了该模型的准确性.选取跨中钢箱梁建立局部构件尺度的精细模型.在局部模型的切割边界,应用子模型法衔接两尺度模型进行钢箱梁局部应力的数值计算,并与成桥静载试验的测试结果进行了对比分析.在此基础之上,系统地总结了大跨悬索桥钢箱梁结构在车辆荷载作用下的工作行为和受力性能.结果表明,钢箱梁顶板U形肋存在较大的应力变化幅值,应作为结构健康监测与疲劳状态评估的重点构件.     

基于疲劳性能的正交异性钢桥面板构造参数优化分析

为了给正交异性钢桥面板各构造参数的抗疲劳设计提供理论参考,以泰州大桥钢箱梁标准梁段为研究对象,建立钢箱梁参数化有限元模型.以焊缝疲劳性能为目标,提出了基于BP神经网络与遗传算法相结合的构造参数优化方法,进行了车载作用、车载-温度共同作用下钢箱梁构造参数的最优设计分析.结果表明,三层神经网络预测模型客观地反映了正交异性钢桥面板主要构造参数与焊缝等效应力幅的对应关系,模型预测结果与ANSYS分析结果高度吻合,最大相对误差不超过5%.车辆荷载对于钢箱梁构造参数优化结果影响较大.温度作用对于钢箱梁顶板厚度和U肋开口尺寸2个参数的优化结果影响较大,尤其是对于普通车道钢箱梁焊缝疲劳性能的影响较大.     

组合桥面板U肋对接焊缝疲劳破坏及修复方法试验

为了研究弯折U形肋组合桥面板的疲劳性能以及疲劳开裂后的修补方法,对一个带连续弯折U形肋的组合桥面板试件进行了前后两次疲劳试验研究.首先对初始采用无衬垫对接焊缝的试件进行疲劳加载直到焊缝开裂;然后在开裂处采用带衬垫的对接焊缝加固,再次进行疲劳加载直到破坏.研究了组合桥面板疲劳破坏形态、开裂处疲劳强度评定、疲劳裂缝修复方法及修复后的疲劳性能.试验结果表明:在反复荷载作用下无衬垫单面焊的对接焊缝是正交异性组合桥面板的薄弱处,首先发生疲劳裂纹,采用带衬垫的熔透对接焊缝对开裂处进行修补,能起到较好的补强效果.     

基于X射线数字成像技术的管母线焊缝缺陷检测实验研究

焊缝缺陷是影响管母线性能的主要因素。根据管母线典型焊缝缺陷的特征,结合X射线数字成像(DR)系统Rhythm软件测量技术,推导了特定缺陷实际尺寸的理论计算方法,提出了一套基于DR技术的焊缝缺陷实际尺寸计算方法。利用本文提出的方法计算了像质计的长度并与实际尺寸进行了对比,充分验证了本文提出的基于DR技术的焊缝缺陷实际尺寸计算方法的正确性,根据实验室拍摄得到的管母线焊缝缺陷的X射线数字图像,利用该方法对气孔、未焊透等缺陷实际尺寸进行了计算,为定量研究管母线焊缝缺陷对其性能的奠定了基础。     

车轮荷载下钢箱梁疲劳构造细节应力等级评定

针对车轮荷载作用下钢箱梁的疲劳构造细节等级评定问题,基于应力影响线,研究钢箱梁9种疲劳构造细节的局部疲劳应力。根据等效损伤原理对最大应力幅进行修正,并以此为依据划分钢箱梁疲劳构造细节。结果表明：车轮荷载对钢箱梁9种疲劳构造细节的应力影响范围均较小,横隔板与顶板、纵肋相交处的应力影响范围为横隔板间距;顶板与纵肋相交处、纵肋对接处以及顶板对接处,应力影响范围为横隔板间距的1/2。钢箱梁横隔板与纵肋相交处的修正等效应力幅最大,纵肋对接处的修正等效应力幅最小。考虑受力和施工质量,钢箱梁疲劳构造细节可划分为5个疲劳应力等级,并给出9种疲劳构造细节对应的等级。     

6061-T6铝合金薄板双脉冲MIG焊动态组合热源模型

为准确得出铝合金薄板双脉冲熔化极惰性气体保护焊（双脉冲MIG焊）焊接温度场分布特征,提出一种基于铝合金薄板全熔透焊接热量分布及焊缝成形特点的动态组合热源模型,通过编写子程序,对有限元软件进行二次开发,实现动态组合热源模型在空间上的分布加载,得出仿真过程焊缝形貌及温度场分布特征. 对2 mm厚6061-T6铝合金薄板进行双脉冲MIG焊对接焊接实验,得出焊缝形貌特征并记录测温点温度数据,绘制测温点的热循环曲线. 对比仿真与实验结果发现,对于铝合金薄板全熔透焊接,利用动态组合热源模型得出的焊缝形貌与实际焊缝形貌拟合较好,温度场仿真误差在允许范围内,最大误差点出现在距焊缝20 mm处,最大误差为12.25%.     

线弹性断裂力学方法评定焊接接头根部的疲劳强度

本文用线弹性断裂力学方法评定了焊接接头根部的疲劳强度。论述了材料的疲劳裂纹扩展阻力、裂纹的应力强度因子及混合型下的断裂条件。     

拉应力作用下含缺陷埋地管道应变与裂纹扩展行为分析

本文基于数值模拟和宽板拉伸实验方法,研究了单点缺陷与双点缺陷对含螺旋焊缝缺陷管道应力应变及裂纹扩展行为。首先基于管材的力学性能和标准等确定缺陷尺寸,然后利用ABAQUS建立含不同参数缺陷的宽板及全尺寸管道模型,通过分析外力下的应力分布特点,验证了管道宽板模型的可靠性；其次采用有限元软件研究不同缺陷长度与深度对管道焊缝处裂纹萌生的规律,结果表明相对长度0.79(实际长度为20mm)和相对深度为45.98(实际深度4mm)的缺陷对裂纹萌生影响较大。最后通过设计3组含焊缝处缺陷管道宽板拉伸实验,结果表明宽板焊缝上、下侧截面点位的应力应变在轴向拉力作用下,均呈现出先缓慢增加后快速上升的趋势,且相对单点缺陷,双点缺陷的相互作用对裂纹的萌生和扩展产生了较大影响。     

基于有限元仿真车轮多轴疲劳强度分析

基于UIC510-3规程和热负荷试验,确定了车轮疲劳强度分析的计算载荷工况,采用有限元方法数值模拟了运行状态下车轮的应力变化规律,进行了车轮疲劳强度评定.采用最大主应力方法将多轴应力状态转化为单轴应力,通过Haigh-Goodman疲劳极限方程,得出机械载荷下车轮辐板孔的疲劳强度满足要求;采用Goodman方程,将制动热负荷产生的零-拉脉动循环转化为对称循环,根据辐板材料的S-N曲线评价,得出单纯制动热负荷下辐板孔满足疲劳强度要求;提出制动热应力与机械波动应力的叠加方法,采用Miner法则预测机械载荷与制动热负荷组合作用下辐板孔裂纹的形成寿命.由不同载荷下车轮疲劳强度的评价结果,判断出导致辐板孔边裂纹形成的载荷因素是机械载荷与坡道制动的综合作用.     

珠江黄埔大桥钢箱梁温度长期监测与分析

基于珠江黄埔大桥结构健康监测系统为期一年的温度监测数据,详细分析了北汊斜拉桥和南汊悬索桥扁平钢箱梁的温度分布特性.采用统计学方法建立了钢箱梁顶板和底板温度以及顶板和底板竖向温差的概率分布模型,确定了具有一定重现期的钢箱梁温度和竖向温差标准值.分析结果表明:钢箱梁横截面温度分布具有对称性,并且顶板与底板之间存在较大的竖向正温差;钢箱梁顶板和底板温度均可以通过2个正态分布函数的加权和来描述其概率分布,顶板和底板竖向正温差则可以通过2个Weibull分布函数的加权和来描述其概率分布.在此基础上分别计算了重现期为50年的钢箱梁温度和竖向正温差标准值.研究结果可为我国温热地区的大跨钢箱梁桥全寿命设计提供参考.     

钢包耳轴活性缺陷声发射信号特征与定位分析

钢包耳轴是整个钢包结构的关键部位之一,耳轴根部在长期的高温吊拉作业中会产生活性疲劳裂纹.针对常规超声法难以对耳轴根部焊缝进行无损检测的问题,提出基于声发射(Acoustic emission, AE)平面定位技术对钢包耳轴根部焊缝活性缺陷进行检测的方法.对原始AE数据进行滤波处理并结合小波包变换对信号进行分析.实验结果表明该方法能够较准确定位焊缝活性缺陷的位置.经过小波包对AE信号进行3层分解与重构后,活性缺陷AE信号频带主要分布在62.5~125 kHz,其能量占总能量的81.25 %,符合一般裂纹扩展的频率特征.     

钢桥面板顶板与U肋焊缝裂纹类型及扩展特征

为研究顶板与U肋焊缝各类型疲劳裂纹萌生及扩展特征,利用ABAQUS有限元软件建立钢桥面板节段模型,根据最大主应力及其方向分布,分析了不同轮载下的裂纹萌生位置和开裂趋势.结合顶板、U肋的受力与变形特征,利用FRANC2D二维断裂分析软件建立该疲劳细节开裂模型,通过分析扩展路径和应力强度因子,明确顶板与U肋各类型裂纹的受力...     

海底管线用钢焊接接头的安全评定及寿命预测

焊接接头是海底油气输送管道焊接结构中的薄弱环节，作者在给定裂纹尺寸和载荷条件下，根据裂纹尖端张开位移CTOD试验结果，采用欧共体提出的结构完整性评定方法SINTAP，对API5LX65管线钢焊接接头焊趾处的表面裂纹进行评定，根据拉伸试验结果，给出了X65管线钢焊接接头焊缝和母材的一级与三级评定曲线，结果表明，不论采用一级还是三级评定，各评定点均在评定曲线定义的范围内，说明该结构是安全的，根据评定结果对结构进行疲劳寿命估算具有工程实际意义和经济价值。     

千米级斜拉桥扁平钢箱梁的局部力学行为

以世界最大跨径斜拉桥苏通长江大桥为工程背景,通过静载试验与全桥整体及箱梁局部有限元数值计算研究了千米级斜拉桥扁平钢箱梁各主要板件的力学特性.在此基础上,运用子模型法对考虑焊接构造的箱梁局部焊接细节建立精细有限元模型,分析焊缝周围的应力分布规律,并通过试验加以验证.结果表明,扁平钢箱梁剪力滞效应明显,顶底板纵向应力沿横截面呈不均匀分布,顶板和顶板U肋的焊缝周围存在严重的应力集中,是整个钢箱梁疲劳性能研究的重点部位.