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基于CFRP布和SMA/CFRP组合贴片的桥梁横隔板疲劳裂纹修复方法

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交通运输工程学报 2024年第1期24卷 171-184页

作者：强旭红武亚鹏姜旭林志平同济大学土木工程学院上海200092 福建省高速公路集团有限公司福建福州350001

为了解决长期服役状态下正交异性钢桥面板的横隔板弧形切口处在车致振动和反复轮压荷载作用下的疲劳开裂问题,提出了2种加固方法,即碳纤维增强复合材料(CFRP)布粘贴止裂孔法和通过激活形状记忆合金(SMA)引入预应力的SMA/CFRP组合贴片粘... 详细信息

为了解决长期服役状态下正交异性钢桥面板的横隔板弧形切口处在车致振动和反复轮压荷载作用下的疲劳开裂问题,提出了2种加固方法,即碳纤维增强复合材料(CFRP)布粘贴止裂孔法和通过激活形状记忆合金(SMA)引入预应力的SMA/CFRP组合贴片粘贴止裂孔法;对修复后的横隔板试件进行静力和疲劳加载试验,建立了相应的有限元模型对不同加固方法进行数值模拟和参数分析,对比了不同加固方法的修复效果。研究结果表明:在止裂孔的基础上粘贴CFRP布和SMA/CFRP组合贴片后,横隔板止裂孔边的应力相比单纯止裂孔修复时分别降低了12.46%和44.90%,横隔板的疲劳寿命分别为单纯止裂孔修复横隔板的2.57和5.07倍,2种方法可有效提高开裂区域的局部刚度,改善横隔板开裂局部的应力集中和疲劳受力性能;采用CFRP布粘贴修复时,增加CFRP布层数可以明显降低横隔板上的应力水平和应力集中程度,但为保证CFRP布和钢板间的黏结性能,实际应用中建议粘贴2~3层CFRP布为宜;采用SMA/CFRP组合贴片修复时,钢板上的应力集中程度随SMA丝激活应力的增加近似成线性下降,实际工程中可通过增大SMA丝的激活应力来有效提升修复效果。

关键词：桥梁工程横隔板裂纹有限元模拟结构加固修复方案 SMA/CFRP组合贴片

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轮辐式索承网格屋盖钢结构单道胎架施工技术

建筑钢结构进展 2024年

作者：强旭红张至毅张猛姜旭同济大学土木工程学院

泰安体育场作为泰安市的新地标，其钢结构屋盖采用轮辐式索承网格结构，通过68榀径向索和1道中央环索形成张拉结构体系，最大悬挑跨度45 m。通过数值分析对施工过程进行了精细化稳定性分析，针对不规则构件吊装的工程技术难点，进行了... 详细信息

泰安体育场作为泰安市的新地标，其钢结构屋盖采用轮辐式索承网格结构，通过68榀径向索和1道中央环索形成张拉结构体系，最大悬挑跨度45 m。通过数值分析对施工过程进行了精细化稳定性分析，针对不规则构件吊装的工程技术难点，进行了吊装方案的设计与优化；考虑到成本控制与施工周期，极具创新性地采用了径向单道胎架作为屋盖施工过程的临时支撑，结合工程实际情况设计了胎架转换结构，并对单道胎架整体在多种可能的荷载组合作用下进行验算与校核。通过对体育场屋盖施工全过程的模拟以及对安装过程中的重难点进行优化分析，为现场施工的安全顺利开展提供了技术保障，同时也大大缩减了施工工期和建造成本。也可为其他类似工程采用单道胎架施工方法提供施工方案设计的新思路。

关键词：轮辐式索承网格屋盖钢结构施工模拟吊装方案优化单道胎架有限元分析

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钢桥面板U肋嵌补段对接焊缝疲劳开裂特性

华南理工大学学报（自然科学版） 2024年第5期52卷 92-100页

作者：姜旭吕志林强旭红范铭新同济大学土木工程学院上海200092

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,... 详细信息

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。

关键词：正交异性钢桥面板对接焊缝疲劳性能结构应力法扩展有限元

Fe-SMA主动加固钢桥面横隔板弧形切口疲劳裂纹实桥应用研究

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桥梁建设 2024年第3期54卷 54-60页

作者：姜旭吕志林强旭红王亚飞同济大学土木工程学院上海200092 桥梁智能与绿色建造全国重点实验室湖北武汉430034 中铁大桥科学研究院有限公司湖北武汉430034

为确定铁基形状记忆合金(Fe-SMA)主动加固正交异性钢桥面板横隔板弧形切口疲劳裂纹的可行性,以某在役钢箱梁斜拉桥为背景进行实桥加固研究。根据现场横隔板弧形切口的开裂特征,在对裂纹钻孔止裂的基础上,提出利用Fe-SMA材料对横隔板弧... 详细信息

为确定铁基形状记忆合金(Fe-SMA)主动加固正交异性钢桥面板横隔板弧形切口疲劳裂纹的可行性,以某在役钢箱梁斜拉桥为背景进行实桥加固研究。根据现场横隔板弧形切口的开裂特征,在对裂纹钻孔止裂的基础上,提出利用Fe-SMA材料对横隔板弧形切口裂纹进行粘贴加固的方案,并进行加固施工。通过现场测试得到Fe-SMA板条热激活过程的应变和温度变化,分析Fe-SMA板条和钢板之间的相互作用及加固机理。结果表明:粘贴Fe-SMA板利用Fe-SMA热驱动形状记忆效应可有效便捷地为结构施加预压应力,实现对受损部位的主动加固;经过Fe-SMA联合止裂孔修复后,热驱动作用下的Fe-SMA可以产生200~240 MPa的预拉应力,并在钢板止裂孔边缘施加43~90 MPa的压应力,可有效阻止裂纹进一步扩展;加固体系在加热激活过程完好可靠,当控制一侧加热区域中部温度为200℃时,热传导作用下非加热区域中部的温度为60℃以下,而背面总体温度基本在90℃以下。

关键词：桥梁工程正交异性钢桥面板横隔板弧形切口裂纹修复形状记忆合金主动加固

体外预应力CFRP筋加固钢筋混凝土梁的理论与数值分析

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结构工程师 2024年第1期40卷 165-174页

作者：强旭红胡文清胡郭辉姜旭唐永康同济大学建筑工程系上海200092 同济大学桥梁工程系上海200092 国能朔黄铁路发展有限责任公司北京100080

随着服役时间的增长和车辆荷载的增加,老旧的钢筋混凝土桥梁面临承载力不足、变形超限等问题,采用体外预应力CFRP筋对其加固是一种有效的解决方法。采用有限元分析软件ABAQUS对某跨度24 m的铁路桥梁进行数值模拟与参数分析,其中,根据不... 详细信息

随着服役时间的增长和车辆荷载的增加,老旧的钢筋混凝土桥梁面临承载力不足、变形超限等问题,采用体外预应力CFRP筋对其加固是一种有效的解决方法。采用有限元分析软件ABAQUS对某跨度24 m的铁路桥梁进行数值模拟与参数分析,其中,根据不同的CFRP预应力筋的直径(31 mm、43 mm、61 mm)和预应力大小(250 MPa、500 MPa、750 MPa、1000 MPa、1250 MPa),获得模型梁的开裂弯矩、梁底钢筋屈服弯矩以及梁开裂时的跨中变形。将《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)等现行规范的理论计算结果与数值模拟结果进行对比,发现两者吻合良好,误差在15%以内,从而验证了规范中钢筋混凝土梁开裂弯矩计算公式、正截面承载力计算公式以及跨中挠度计算公式对于体外预应力CFRP筋加固钢筋混凝土梁的适用性与准确性,为实际工程加固设计提供参考。

关键词：预应力混凝土梁 CFRP筋 ABAQUS 有限元分析理论计算

铁基形状记忆合金力学性能和激活回复性能研究

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同济大学学报（自然科学版） 2023年第5期51卷 718-727页

作者：强旭红武亚鹏姜旭同济大学土木工程学院上海200092

对研发的铁基形状记忆合金(Fe-based shape memory alloys,Fe-SMA)热轧板和冷轧板的力学性能和激活回复性能进行试验研究,得到了材料的力学性能基本参数和不同激活条件下的回复应力水平。研究发现,Fe-SMA材料具有很高的强度和优异的延... 详细信息

对研发的铁基形状记忆合金(Fe-based shape memory alloys,Fe-SMA)热轧板和冷轧板的力学性能和激活回复性能进行试验研究,得到了材料的力学性能基本参数和不同激活条件下的回复应力水平。研究发现,Fe-SMA材料具有很高的强度和优异的延展性。Fe-SMA热轧板的弹性模量均值为182GPa,抗拉强度1136MPa,总延伸率45.0%。Fe-SMA冷轧板的弹性模量与热轧板相差不大,但冷轧板抗拉强度和总延伸率有所降低。在不同预拉伸应变与激活温度组合下,Fe-SMA的回复应力水平为165MPa~366MPa,可以满足目前工程应用中针对钢板裂纹修复和梁式结构承载能力提升的加固需求。与热轧板相比,Fe-SMA冷轧板在冷轧处理过程中形状记忆性能变差,反复升温激活过程中累积效应降低,因而热轧Fe-SMA更适用于需要多次激活补偿预应力损失的结构加固应用。Fe-SMA的基本材性指标和激活回复应力水平可以达到国际水准,但造价更低,适合于土木工程领域的加固应用。

关键词：铁基形状记忆合金力学性能加热激活回复应力热轧冷轧

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火灾下高强钢栓焊连接节点力学性能数值研究

同济大学学报（自然科学版） 2022年第11期50卷 1588-1598页

作者：强旭红舒悦姜旭董浩同济大学土木工程学院上海200092 华设设计集团股份有限公司江苏南京210014

采用ABAQUS对高强钢栓焊连接节点火灾下的力学性能进行模拟,通过经验证的模型对高强钢栓焊连接节点进行参数分析。结果表明:温度升高,节点的极限抗弯承载力M_(max)、节点塑性抗弯承载力M_(y)和节点的初始刚度K_(ini)均降低;强度较低钢... 详细信息

采用ABAQUS对高强钢栓焊连接节点火灾下的力学性能进行模拟,通过经验证的模型对高强钢栓焊连接节点进行参数分析。结果表明:温度升高,节点的极限抗弯承载力M_(max)、节点塑性抗弯承载力M_(y)和节点的初始刚度K_(ini)均降低;强度较低钢材的节点匹配较厚的梁柱翼缘和腹板比强度较高钢材的节点匹配较薄的梁柱翼缘和腹板,可获得相近的节点塑性抗弯承载力以及相近或更高的节点转动能力,从而实现节点优化设计。

关键词：高强钢火灾下栓焊连接节点力学性能数值研究

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拉剪组合荷载下FRP-钢胶接连接力学性能

湖南大学学报（自然科学版） 2022年第9期49卷 42-50页

作者：姜旭孙凯强旭红白洁同济大学土木工程学院上海200092 中国建筑第八工程局有限公司工程研究院上海200122

为明确FRP桥面板与钢梁之间胶接连接的力学性能,针对不同拉剪组合荷载下胶接连接的力学性能进行了系列试验研究,包括极限破坏荷载、破坏模式、刚度以及强度破坏准则.针对胶接连接的受力特点,通过特制的圆盘加载试验装置,实现了6种不同... 详细信息

为明确FRP桥面板与钢梁之间胶接连接的力学性能,针对不同拉剪组合荷载下胶接连接的力学性能进行了系列试验研究,包括极限破坏荷载、破坏模式、刚度以及强度破坏准则.针对胶接连接的受力特点,通过特制的圆盘加载试验装置,实现了6种不同比例的拉伸和剪切荷载组合.结果表明,在纯剪切荷载下,胶接连接在靠近钢梁位置的胶黏层内发生破坏.在拉伸荷载和四种拉剪组合荷载下,节点的破坏模式为FRP层间破坏与FRP夹心板和胶黏层之间界面破坏的组合.荷载-位移曲线表明,胶黏层内胶体材料分布具有不均匀性,在试验过程中引起了胶接连接的偏心受力及应力重分布.根据矢量分离后的拉应力和剪应力,得到胶接连接的拉剪强度破坏准则.

关键词：胶接连接拉剪组合破坏模式桥面板强度准则

张弦式预应力CFRP板加固钢-混凝土组合梁的抗弯试验

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复合材料学报 2022年第11期39卷 5135-5147页

作者：强旭红陈龙龙姜旭同济大学土木工程学院上海200092

为研究张弦式预应力碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)板加固方法的加固效果,进行了4根5.2 m长的钢-混凝土组合梁试件的四点弯曲试验。使用自主研发的顶升装置横向张拉CFRP板,配合可转动的端部锚具共同完成加固。试验结果表明:钢-混凝土组... 详细信息

为研究张弦式预应力碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)板加固方法的加固效果,进行了4根5.2 m长的钢-混凝土组合梁试件的四点弯曲试验。使用自主研发的顶升装置横向张拉CFRP板,配合可转动的端部锚具共同完成加固。试验结果表明:钢-混凝土组合梁均呈现出典型的弯曲破坏特征;加固梁的极限承载能力显著提高,分别提高31.5%、28.8%和47.9%,其中150CFRP(10)-S-C组由于锚具不当而导致CFRP板提前发生破坏;加固对梁的破坏时挠度影响很小,100CFRP(10)-S-C和150CFRP(15)-S-C梁的极限挠度仅降低了0.4%和1.6%;增大CFRP板截面面积对梁的抗弯刚度贡献较大,而提高初始预应力水平更有助于延缓钢梁屈服;加载全过程,CFRP板应力沿全长分布均匀,破坏时材料强度利用率达80%以上。为期约90 h的预应损失监测表明,张弦式加固方法的预应力损失不超过2.5%,且损失预应力补偿方便。但是,值得注意的是该方法对端部锚具的可靠性要求很高。

关键词：钢-混凝土组合梁预应力碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)板张弦式加固抗弯试验