无砟轨道W1型弹条疲劳性能的试验研究

高速铁路弹条在实际工作中会承受反复多变的载荷作用,随着时间累积,弹条会发生疲劳断裂。为研究高速铁路弹条(W1型弹条)在载荷作用下的疲劳性能和疲劳寿命,将W1型弹条放置于MTS810伺服液压试验机上进行载荷分别为(25±7.5) kN、(25±10) kN、(25±12.5) kN 3种试验方案的疲劳试验,首先通过疲劳试验数据计算弹条的疲劳可靠度寿命和疲劳寿命,绘制W1型弹条在不同可靠度下的载荷与疲劳寿命(lgF_a-lgN)直线并对其进行线性拟合,根据不同可靠度的要求,可以计算和预测W1型弹条在3种试验方案下的疲劳寿命,然后对弹条断口进行电镜扫描分析,得出弹条断裂类型为韧性断裂。     

地铁扣件Ⅲ型弹条的弹塑性疲劳性能分析

地铁Ⅲ型扣件系统主要是通过弹条趾端变形产生的扣压力来紧固铁轨,扣件系统弹条处于复杂的应力状态,在服役过程中往往达不到预期寿命过早断裂。为了研究弹条的弹塑性疲劳性能,根据扣件系统实物尺寸建立了有限元模型,进行了静力学分析,得到了弹条的弹性系数为1.06 k N/mm,验证了模型的可行性。在此基础上建立了两种弹塑性疲劳模型对弹条的寿命进行了预测和分析,其中模型1采用Neuber塑性修正的弹性有限元法,模型2采用弹塑性有限元法。结果表明,为避免弹条与铁垫板插孔由线接触变为点接触而产生应力集中,弹条小圆弧内侧与铁垫板距离D应不小于7 mm;在钢轨位移循环荷载下,两种模型计算得到的弹条疲劳寿命分别为2.449×10⁹次和6.081×10⁸次;随着钢轨位移差的增大,弹条的寿命急剧下降,为满足500万次不破坏的标准,钢轨位移差应不超过4 mm,危险点处应力比应大于0.6;在相同次数的疲劳荷载循环下,随着初始安装扣压力的增大,危险点处的损伤值也越大,当扣压力超过13 kN后,最大损伤值增长速率明显增大。     

基于车轨耦合动力学分析的地铁e型弹条扣件疲劳寿命预测

地铁是城市交通的重要组成部分,而扣件系统是地铁轨道结构的关键部件,起到固定钢轨、减振降噪的作用。为分析地铁e型弹条扣件的疲劳性能,基于车辆轨道动力学理论,通过多体动力学软件UM建立了车轨耦合模型,研究了车辆速度、轨道不平顺类型以及曲线半径与钢轨动力学响应的关系;并通过有限元软件ABAQUS对扣件系统进行了仿真计算,将车轨耦合动力分析得到的钢轨位移作为疲劳荷载,采用应力疲劳计算的方法对弹条的疲劳寿命进行了预测和分析。结果表明：钢轨位移响应受不平顺类型和车辆速度的影响较小,而加速度响应对两者则比较敏感;轨道曲线半径的改变,对内轨位移的影响相对明显,随着半径的减小,内轨的位移时程曲线出现明显的上移,同时对加速度的影响也增大,内轨加速度峰值呈增大趋势;基于此模型计算的弹条疲劳寿命为2.14×10⁷次,寿命最低处位于弹条后拱小圆弧段,与实际断裂位置相吻合;弹条初始安装扣压力对弹条疲劳寿命的影响很大,随着初始安装扣压力的增大,弹条的疲劳寿命不断减小,且减小的速度趋于增大,为确保弹条扣件处于良好的工作状态,初始扣压力应当控制在11～15 kN范围内。     

地铁扣件Ⅲ型弹条的静力学模型与参数优化分析

地铁钢轨通过弹性扣件固定在道床的轨枕上,弹条是弹性扣件的关键部件,通过弹条的弯曲和扭曲变形产生扣压力,保证钢轨之间轨距正常和可靠连接,同时吸收车辆行驶产生的冲击能量,达到减振的作用。本文为了研究地铁扣件III型弹条自身相关参数对其力学性能的影响并进行参数优化,通过金属材料拉伸试验测得了Ⅲ型弹条的基本力学参数,开展扣压力试验得到了弹条扣压力与弹程的关系。建立了弹条的静力学理论模型,并使用单位力法推导了线弹性变形假设下弹条扣压力与弹程的关系,与试验所得数据吻合良好,验证了模型的可行性。根据理论模型推导了弹条不同截面的内力表达式,并以第四强度理论计算了弹条的应力危险点,结果表明,危险点发生在小圆弧靠近跟端θ=61°附近的截面。研究了材料参数和几何参数对弹条应力状态以及扣压力-弹程曲线的影响,提出了弹条基于材料参数和几何参数的优化方案：在规范规定的扣压力范围内,弹条横截面直径应不小于20mm,弹条的小圆弧半径r应不大于20mm。     

基于车轨耦合和扣件精细模型的弹条疲劳分析

针对扣件弹条的疲劳断裂问题,利用数值仿真手段对弹条疲劳寿命进行分析。首先,建立车辆-轨道耦合动力分析模型,通过仿真得到轨底垂向位移时程曲线;然后,建立扣件精细分析模型,将轨底垂向位移时程曲线作为输入荷载,计算得到扣件弹条的应力和应变时程曲线;最后,结合疲劳分析方法和累积损伤理论,对弹条的疲劳寿命进行分析。研究结果表明:弹条小圆弧处疲劳寿命最低,最易发生损坏,与现场调查结果一致;弹条疲劳寿命与安装弹程密切相关,随着弹条安装弹程的增大,弹条疲劳寿命急剧降低;为了延长扣件使用寿命,线路运营中应避免弹条的安装弹程过高。     

W300-1型扣件弹条疲劳寿命的预测和评估

为有效评估和预测W300-1型扣件弹条在实际工作状态下的疲劳寿命,综合考虑弹条材料的弹塑性力学特性及复杂接触关系,建立有限元模型;分析弹条在不同安装扭矩下的受力情况,并用数字图像相关（DIC）测试结果予以验证;基于京沪高铁实测轮轨力时程曲线,施加等效循环疲劳载荷谱,结合弹条材料应变-寿命曲线,预测弹条疲劳寿命;分析安装扭矩、疲劳载荷幅值、以及两者匹配关系（应力比）对弹条疲劳寿命的影响。结果表明：无论处于略微欠拧、正常安装或过拧状态,弹条危险点位置均位于跟端圆弧内表面,已发生塑性变形。弹条疲劳寿命随安装扭矩和疲劳载荷幅值的增加而降低,与危险点应力比呈线性关系。因此,为保证弹条的实际使用寿命,特别是在车速较高或波磨较严重的线路,建议弹条安装时安装扭矩不超过300 N·m。     

基于热力耦合多W型金属封严环疲劳寿命预测

针对多W型金属封严环在高温高压工作环境下的疲劳寿命预测问题,综合考虑燃气温度、介质压力和螺栓预紧等载荷作用,基于热力耦合的方法完成了多W型金属封严环应力分析及疲劳寿命预测.结果表明:封严环最大应力位置与疲劳寿命最小位置一致,均在波峰圆弧外侧表面处;燃气温度500℃、介质压差0.5 MPa条件下该封严环疲劳寿命达到最高;文中提出的预测金属封严环疲劳寿命的方法比较可靠,为先进金属封严环的设计提供了参考.     

地铁DTⅥ2扣件弹条力学特性及断裂研究

为分析DTⅥ2扣件弹条的力学性能,基于大型计算程序ABAQUS,建立扣件弹条有限元模型,并验证模型可靠性。研究结果表明:弹条应力产生的最大区域为弹条小圆弧内侧及跟端下侧与铁垫板接触部分,此区域易产生较大塑性变形、萌生裂纹并不断发展,在安装和养护维修过程中应加以关注;安装状态、摩擦因数和温度对扣压力影响相对较小,弹程对扣件弹条扣压力和最大等效应力影响较大;弹条特征部位的最大等效应力和垂向加速度在782～934,1 160～1 270和1 620～1 700 Hz频率范围出现3个明显的峰值,表明在这些频率下弹条易突然发生断裂。     

正交异性钢桥面-RPC薄层组合铺装体系研究

为了综合解决钢桥面疲劳开裂和铺装层易损坏两大棘手问题,本文提出薄层活性粉末混凝土(RPC)钢桥面组合结构.正交异性钢桥面铺装有限元模型计算结果表明:相对于柔性铺装,组合铺装体系中铺装层最大拉应力、剪应变、竖向位移降幅分别为54.8%,78.9%和39.1%;组合铺装体系结合面抗剪试验及钢桥面-RPC悬臂梁抗拉疲劳试验结果表明:在高温(60℃)不利条件下,RPC与沥青磨耗层界面抗剪强度为1.3MPa;RPC与钢板抗剪栓钉承载力为66.75kN;在拉应力幅值7.5～14.5MPa条件下,钢桥面-RPC悬臂梁承受200万次疲劳荷载没有出现裂缝.研究结果显示,薄层组合桥面铺装体系,有效降低了铺装体系应力应变幅值以及局部竖向变形,且铺装层各结合面抗剪强度可以满足使用要求.     

循环荷载作用下预应力混凝土U型梁纵向裂缝试验研究

为了研究预应力钢筋混凝土U型梁行车道板处纵向裂缝对结构安全的影响,选择实际工程项目中标准梁段的一个节段进行循环加载试验.通过对试验梁节段进行1 000万次的循环加载,分析了预应力混凝土U型梁行车道板纵向裂缝的发展及变化规律,并通过一定重复荷载作用后的静力试验研究了裂缝发展对结构安全的影响.结果表明,在整个循环加载过程中,结构位移、混凝土和钢筋的应变及行车道板的纵向裂缝均随着荷载循环次数的增加而增加,且前300万次循环加载变化较大,后期逐渐趋于平稳;钢筋的应力幅值较低,不会产生疲劳破坏;U型梁行车道板的寿命主要受纵向裂缝控制.     

高强变肋钢筋与混凝土间粘结锚固性能梁式试验

为研究横肋间距增大对630 MPa级高强钢筋与混凝土间的粘结锚固性能的影响,文中采用梁式粘结试验方法,对42根标准外形钢筋和横肋间距增大钢筋与混凝土的粘结锚固性能进行试验,对比分析了混凝土保护层厚度、钢筋直径、锚固长度等因素对两类钢筋与混凝土粘结锚固性能的影响。结果表明：横肋间距增大的630 MPa级高强钢筋与混凝土的粘结强度不低于标准外形高强钢筋,两类钢筋与混凝土的粘结强度随混凝土强度、钢筋直径、锚固长度变化规律基本一致。横肋间距增大对630 MPa钢筋与混凝土的粘结锚固性能无显著影响。     

HTRB600级高强钢筋高温下的力学性能

为研究600 MPa级高强钢筋高温下的力学性能,对HTRB600级热处理高强钢筋进行高温下的拉伸试验,分别测得其在20,200,300,400,500,600,700及800℃高温下的弹性模量、比例极限、屈服强度、极限强度及应力-应变曲线.试验结果表明:HTRB600级高强钢筋高温下屈服强度、极限强度、比例极限与弹性模量均随着温度的升高而显著降低.500℃时其高温下的弹性模量、比例极限、屈服强度与极限强度降低为不足常温下的50%,800℃时已不足常温下的10%.高温下HTRB600级高强钢筋应力-应变曲线随温度的升高逐渐趋于圆滑,当温度达到200℃时,屈服台阶就已消失.600 MPa级钢筋高温下屈服强度和极限强度的降低程度明显大于其他钢筋500 MPa以下强度的钢筋.最后提出了适用于HTRB600级高强钢筋的高温下应力-应变曲线简化计算模型.     

变幅重复荷载下混凝土梁斜截面抗剪试验研究

本文研究了配有弯起钢筋的混凝土梁斜截面抗剪性能。通过试验，得出了该构件在变幅重复荷载作用下斜截面的破坏特点，箍筋和弯筋应力随疲劳荷载的变化情况，及斜截面上弯筋和箍筋应力分布及相互关系。同时，讨论了加载历程对斜截面疲劳性能的影响，从而为混凝土梁斜截面抗剪强度的理论分析提供了依据。     

ZL114A 铝硅合金微观疏松的HIP工艺处理

 采用光学显微镜OM、扫描电镜SEM、WDW-100 KN万能拉伸试验机、PLA30050疲劳试验机,结合三因素三水平正交试验,研究了不同等级微观疏松冶金缺陷经热等静压处理（HIP）工艺处理后的微观组织与力学性能。结果表明,HIP工艺处理温度对Q值（合金材料综合性能数值）影响最高,其次为HIP压力与时间。ZL114A合金Ⅲ级微观疏松冶金缺陷经540℃与140 MPa下HIP处理4 h后,合金材料的抗拉强度、屈服强度、延伸率、布氏硬度与轴向疲劳寿命分别增至340 MPa、280 MPa、8%、125HBS和4.1×10⁵,综合力学性能Q值达到475.45。综合工艺成本与使用效果考虑,ZL114A合金优先选用540℃、140 MPa与2 h的HIP工艺参数。相同HIP工艺参数下,与Ⅲ级微观疏松冶金缺项相比,Ⅰ级与Ⅱ级微观疏松冶金缺陷区域经HIP处理后的Q值分别提升5.1%与2.4%;Ⅳ级与Ⅴ级微观疏松冶金缺陷区域分别降低15.98%和25.61%。     

HRB500E高强度抗震钢筋焊接性能

国内某厂通过铌微合金化和控冷工艺开发试制HRB500E高强度抗震钢筋,采用金相显微镜、维氏硬度计、闪光焊接、疲劳试验机及力学性能测试,对HRB500E钢筋焊接样力学性能、HV5硬度、金相显微组织、焊接接头强度及疲劳强度进行了试验研究。结果表明:焊接前后焊件和母材强度变化小于5 MPa,强度变化不大,焊件拉伸断口远离焊缝,为延性断口,焊接性能良好;在焊接热循环作用下,焊接接头焊缝、热影响粗晶区、热影响细晶区的表层和芯部经历奥氏体化后再结晶,其组织和硬度变化不大;混晶区至母材表层和芯部则经历不完全奥氏体化后的再结晶,母材芯部组织为F+P+B、表层组织为S,表层硬度HV5高于芯部硬度30 HV5,其组织和硬度变化较大;焊接接头的抗拉断负荷从焊缝到混晶区逐渐减小,焊缝和热影响粗晶区的抗拉断负荷比母材的高;采用国际焊接学会推荐的FAT75疲劳设计曲线对钢筋焊接接头疲劳强度设计是安全的。     

产生坑蚀后钢筋疲劳性能的劣化

为研究产生局部锈坑后钢筋疲劳性能的劣化,设计了32根试件并完成了相关的试验,研究了不同锈坑深度与不同疲劳荷载循环次数下钢筋剩余强度的下降规律,反复荷载对混凝土结构的影响比人们目前所认识到的更为严重:当锈坑较浅时,锈蚀的影响与疲劳荷载的作用可被作为两种独立的损伤(它们彼此间为线性关系);但当锈坑深度较深时,锈坑与循环荷载对试件的影响会产生彼此关联,相互促进的作用.     

热轧钢筋的疲劳行为

本文叙述了应用 MTS 电液伺服试验机和高频疲劳试验机测定45SiMnV热轧钢筋材料的 S—N 曲线和25MnSi 热轧钢筋在固定应力范围上的寿命分布,通过分析求得钢筋50%和95%存活率的 S—N 曲线,在进行有关变幅疲劳的累积损伤试验的基础上,验证了 Miner 论对热轧钢筋的适用性。分析了钢筋材料的循环应力应变曲线及其非线性弹性行为。结论有助于钢筋混凝土结构的疲劳设计,可靠性分析和寿命估算等。     

不锈钢钢筋等截面替代RC梁撞击力学性能试验研究

利用不锈钢钢筋等截面替代普通钢筋混凝土梁中的受力钢筋解决海洋环境中钢筋腐蚀等问题,采用国内先进的超高重型落锤冲击试验机系统对六根钢筋混凝土梁进行竖向抗冲击试验,采集撞击过程中的冲击作用力、试件测点的位移和应变,并进行分析.结果表明:(1)配筋率较小时(0.21%～0.58%),不锈钢钢筋等截面替代普通钢筋后能有效提高梁整体刚度及弹性恢复能力,降低结构变形,可采用不锈钢钢筋等截面替代普通钢筋解决钢筋腐蚀问题;(2)配筋率较大时(1.04%～2.20%),不锈钢钢筋等截面替代普通钢筋后延性较差,特别是冲击能量较高时,脆性性质更加明显.     

基于Sobol法的RC框架结构随机化Pushover 分析及参数敏感性

为研究reinforced concrete框架结构的随机参数敏感性,结合Matlab和SAP2000对Sobol法和随机化Pushover方法进行编程,然后对一榀平面框架结构进行分析,考虑了随机化Pushover方法中水平地震影响系数最大值、混凝土抗压强度和弹性模量、钢筋屈服强度和抗拉强度以及钢筋弹性模量对顶点位移的敏感性。结果表明,水平地震影响系数最大值对随机化Pushover方法顶点位移敏感性和重要程度最大,在分析中可以忽略其余5个参数的随机性。同时通过2个算例进一步验证了研究结果在多层和高层框架结构中的适用性。