局部随机点蚀钢构件的卷积神经网络损伤智能识别

海洋等结构服役环境引起的点蚀会对钢结构的安全产生影响,而点蚀形式具有较强的多尺度多参数随机性。为在实际工程中对点蚀进行有效检测与损伤识别,基于卷积神经网络,结合试验研究、数值模拟、理论分析,对钢构件的局部随机点蚀进行系统研究。选用多参数局部随机点蚀数值模型,在遵循点蚀坑深度的分布模型、点蚀坑的直径时变模型的前提下,对点蚀坑的位置分布进行边界限制和交叉限制,利用Python实现点蚀坑在尺寸、位置和数量等方面的随机性,使Abaqus能够批量生成锈蚀位置和锈蚀率各不相同的钢板有限元模型,进行运算分析,得到各有限元模型的振型样本。之后,以有限元模型作为试验原型,将数值试验得到的大量前6阶振型样本作为数据集,用于建立、训练一种适用于损伤位置识别的卷积神经网络模型,并使用有限元数据集对模型的精度进行验证。最后,采用足尺试验的振型结果进一步验证卷积神经网络模型的精度。研究表明,该模型充分考虑了点蚀在形状参数和位置坐标等方面的随机性,参数合理,接近现实中的实际点蚀情况,识别准确率较高,在数值试验中点蚀损伤识别到真实区域及其相邻区域的准确率高达95.9%,在足尺试验中的准确率达到81.2%,能满足钢构件智能损伤识别实际应用的精度需求。     

粘贴角形钢板加固顶板-U肋焊喉疲劳裂纹试验研究

为了研究粘贴角形钢板对钢桥面板顶板?U肋焊喉疲劳裂纹的修复效果,首先对关注细节的疲劳破坏模式和加固后疲劳性能的提升开展试验和理论研究,然后基于Abaqus有限元软件建立线弹性断裂力学模型,结合最大周向应力准则探究不同裂纹深度和初始倾角对裂纹扩展特性的影响,并在此基础上验证了粘贴角形钢板对疲劳裂纹的加固效果。结果表明,U肋腹板面外弯曲变形是导致顶板?U肋焊喉疲劳开裂的控制因素。该裂纹属于以Ⅰ型为主导的复合型疲劳裂纹,等效应力强度因子随裂纹深度增加而增大,且当初始倾角接近45°时达到最大。所预测的裂纹扩展行为与试验观测结果近乎一致,扩展路径与顶板夹角介于30°~45°之间。对比未加固试件,加固后相应开裂部位关键测点的疲劳应力幅降低90.5%,疲劳寿命显著延长,且粘贴层完好。     

一种综合可泵性及防气窜能力的水泥浆触变稠度设计方法

采用稠度差值法建立水泥浆触变稠度与六速黏度计读数的关系,进而建立水泥浆触变稠度与水泥浆黏度的关系,并利用Landmark软件模拟分析不同触变稠度水泥浆地面泵压及泵注过程中当量密度(ECD),分析在其他参数不变的条件下稠度对压稳不压漏安全可泵注性能的影响,然后利用落球法测黏度原理,分析不同水泥浆触变稠度(黏度)防气窜能力,提出一种综合可泵性及防气窜能力的水泥浆触变稠度设计方法。结果表明:以某油田高压气井为例,当水泥浆触变稠度为35 Bc时,井底ECD达到地层破裂压力当量密度的临界值;当水泥浆触变稠度为31 Bc时,对直径为1 000 μm的气泡施加的运移阻力近169 Pa,具有明显的防气体运移能力。     

GFRP板材热性能分析

采用改进真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺制备曲面玻璃纤维增强复合材料(GFRP)板材,通过动态热机械分析(DMA)实验测定板材玻璃态转化温度(Tg),以得到合适的热加工温度区间。模拟火灾情况下GFRP的工作表现并考虑阻燃剂对板材抗火性能的影响及有限元数值模拟以及不燃性实验进行分析,结果表明火灾情况下GFRP板材表现不佳,添加阻燃剂可以延缓材料升温,并延缓起火时间40%以上。     

钢桥面板U肋嵌补段对接焊缝疲劳开裂特性

钢桥面板U肋嵌补段对接焊缝在车轮荷载反复作用下容易产生疲劳裂纹;这是钢箱梁典型的疲劳细节之一,直接影响桥梁结构的安全运营和耐久性能。为探明正交异性钢桥面板顶板U肋对接焊缝的疲劳开裂特性,采用有限元模拟建立钢桥面板局部模型,研究了嵌补段U肋对接焊缝的疲劳受力特征;然后设计4个足尺单U肋试件,并结合疲劳试验开展实际结构的疲劳性能分析。在此基础上,通过结构应力法提出适用于预测U肋对接焊缝疲劳寿命的修正主S-N曲线,并基于扩展有限元法（XFEM）探究该细节的疲劳裂纹扩展行为。研究结果表明：轮载作用下U肋对接焊缝应力纵向影响范围为2个横隔板间距,横向影响范围为1.5个U肋间距。圆弧过渡区域所受疲劳应力幅最大,应力集中显著,是潜在的疲劳易损点。试验观测到的疲劳裂纹均起裂于圆弧过渡处,并向纵肋底缘和腹板继续扩展。基于名义应力法评估得到对接焊缝平均疲劳强度为68 MPa,接近于欧洲规范规定的71 MPa等级。与基于等效结构应力法提出的主S-N曲线相比,该研究提出的修正主S-N曲线对预测疲劳寿命较为安全保守。采用扩展有限元法可有效模拟U肋对接焊缝的扩展行为。疲劳试验和扩展有限元均表明疲劳裂纹扩展方向取决于初始缺陷的位置。当初始缺陷出现在底板时,疲劳裂纹易于沿底板方向扩展;反之当初始缺陷位于腹板时,疲劳裂纹则易于沿腹板方向扩展。     

火灾下高强钢栓焊连接节点力学性能试验研究

通过栓焊连接节点足尺试验,对比分析Q690和Q9602种强度的高强钢栓焊连接节点在常温和火灾高温下的力学性能。将试验获得的节点承载力与美国、欧洲和中国的现有规范进行对比,验证现有规范对高强钢栓焊连接节点的适用性,并提出高强钢栓焊连接节点的设计建议。最后,对比分析高强钢端板连接节点和栓焊连接节点抗火性能的异同,结果表明高强钢栓焊连接节点抗火性能相对优于高强钢端板连接节点。     

开口U形肋组合桥面板基本力学性能

为了检验所提出的开口U形肋组合桥面板在桥梁使用中的受力性能,并区分其与常规桥面板的受力性能,设计制作了3个不同桥面板试件,其中包括1个混凝土桥面板、1个正交异性钢桥面板、1个带U形肋组合桥面板.通过静力试验测试了不同桥面板在荷载作用下负弯矩区混凝土开裂情况、桥面板不同部位的结构应变和变形、极限承载力等.试验结果表明,在车轮荷载作用下,开口U形肋组合桥面板的应力远远低于正交异性钢桥面板的应力,避免了桥面板钢结构疲劳的发生;在重量比混凝土桥面板小57%的情况下,组合桥面板的承载力是混凝土桥面板的1.42倍;在用钢量约为钢桥面板1/2的情况下,二者的承载力相当.     

正交异性钢桥面板闭口加劲肋对接焊缝疲劳性能评价

根据等效应力幅的概念,采用国内2座大桥近半年的交通数据对闭口加劲肋的疲劳性能进行评价.闭口加劲肋对接焊缝处应力影响线较短,通过车型的调查可以将车辆荷载转化为轴型荷载加载应力影响线,从而避免数值模拟实际车流.通过与我国钢桥规范推荐评价方法对比可以看出,采用统计的轴型荷载计算得到的等效应力幅小于规范评价方法得到的计算结果.并对我国钢桥规范中的损伤等效系数的取值进行了讨论.     

高强钢外伸式端板节点火灾性能试验与数值分析

对1个Q690和2个Q960高强钢外伸式端板连接节点进行高温550℃下的足尺模型试验研究和有限元模拟分析,并将试验结果与采用欧洲现行钢结构设计规范EN 1993-1-8的计算结果及有限元分析结果进行对比.结果表明,550℃时,Q690和Q960高强钢端板连接节点的承载力分别为常温时的45%和46%,初始转动刚度为常温时的57%和65%,但转动能力分别为常温时的1.43倍和1.66倍.EN 1993-1-8中基于普通钢端板连接节点常温力学性能所提出的组件法可直接用于预测高强钢端板连接节点火灾下的失效模式和承载能力,但初始转动刚度的计算公式并不适用,且采用EN 1993-1-8关于保障节点转动能力的相关要求对高强钢端板连接节点进行抗火设计偏于保守.有限元模型可准确模拟该端板连接节点火灾下的弯矩转角关系和失效模式.     

高强结构钢S690高温力学性能

在火灾下,材料力学性能的退化是导致钢结构承载力降低的主要因素.对高强结构钢S690进行稳态和瞬态火灾试验研究,并将S690的高温材性试验结果与欧洲、美国、澳大利亚、英国和中国钢结构设计规范进行对比,结果表明,依据各国现行钢结构设计规范进行高强钢S690钢结构的抗火设计是不安全的.另外,对试验得出的高温下高强钢S690的弹性模量、屈服强度和极限强度折减系数进行数值拟合,给出可准确表征S690高温下材料性能退化的预测公式,可用于指导含高强钢S690构件的钢结构抗火设计,并为相关规范的修订提供参考依据.