随机车流作用下拱桥吊杆疲劳性能研究

为研究吊杆的疲劳性能,以某拱桥为工程背景,在MATLAB中使用蒙特卡洛抽样建立考虑车型、车道、车距、车速、车重5种参数的随机车流模型,使用ANSYS求解吊杆在随机车流荷载作用下的应力时程,评估吊杆的疲劳损伤和寿命。结果表明,跨中长吊杆和拱脚附近的短吊杆疲劳损伤值高于其他吊杆;车流密度越大,吊杆疲劳损伤值越大,个别吊杆的不同车流密度下疲劳损伤值可相差20倍;车流密度对吊杆疲劳寿命影响很大,尽可能使用长时间的实测车流数据才能得到满意的预测结果。     

车辆荷载运营状态对预应力箱梁桥疲劳损伤的影响研究

模拟分析预应力箱梁桥在不同运营密度状态下的应力时程曲线,采用雨流计数法获得结构的应力幅谱,在此基础上依据线性累积损伤理论得出不同运营密度状态下预应力箱梁桥的疲劳损伤度,继而提出了考虑运营车辆密度的线性积伤公式。研究表明:疲劳车辆模型和数量相同的情况下,高速行驶的车辆比一般行车速度的车辆对桥梁疲劳损伤大。考虑运营密度的影响下,当行车间距小于某中间值,行车间距越小、连续车流数量越少对桥梁的疲劳损伤越大。当行车间距大于桥梁计算跨径时,则无需考虑行车间距和连续车流量数目对疲劳损伤的影响。     

随机车流作用下沥青砼铺装层疲劳可靠性分析

针对沥青砼铺装层疲劳开裂因随机性较强难以预测的问题,基于中国西南地区南溪长江大桥动态称重(WIM)统计数据,统计不同车速、车重和行车间距的概率分布模型,应用MonteCarlo随机抽样法提取随机车流模型;采用瞬态分析法模拟计算随机车载下沥青砼下缘弯拉应力时程曲线,利用雨流计数法提取疲劳应力时程,得到疲劳荷载效应概率模型;基于Miner线性损伤准则对沥青铺装层的疲劳可靠性进行评估。结果表明,车辆荷载概率分布具有多峰特征;随机车流作用下沥青砼铺装层在服役期内的疲劳可靠度指标均大于目标可靠度指标,具有一定的安全储备;考虑车辆数年增长率2%时,服役期为9.6年时其疲劳可靠度指标小于目标疲劳可靠度指标。     

中央扣对悬索桥动力特性及短吊索车载激励响应的影响

为实现运营阶段中央扣对悬索桥动力特性及车载激励下短吊索响应影响的量化分析,进而为悬索桥设计及维养策略提供参考,基于已编制的车-桥耦合分析系统,引入制动惯性力及俯仰力矩模拟车辆制动力,建立了考虑车辆制动过程的车-桥耦合分析系统;以一座单跨地锚式悬索桥为工程背景,建立无、有中央扣2种缆梁连接体系的全桥空间有限元模型,研究中央扣对悬索桥动力特性及行车激励下短吊索缆梁相对位移响应的影响;采用建立的分析系统,考虑不同制动位置、初速度及减速度研究中央扣对短吊索制动激励响应的控制作用;考虑短吊索因缆梁相对错动产生的弯曲应力,建立车流激励下短吊索疲劳损伤的分析流程,研究中央扣对短吊索的等效疲劳应力幅值及疲劳损伤度的影响。分析结果表明：中央扣提高了悬索桥的纵飘及扭转刚度,改变了缆梁间的相对运动特性,减小了缆梁错动循环次数及位移幅值,可有效控制行车激励下60.3%以上的短吊索缆梁相对位移响应;考虑不同制动位置、初速度及减速度的取值,中央扣对短吊索缆梁相对位移幅值的减弱率可分别达92.9%、85.1%及85%以上,有效降低了短吊索制动激励响应对3个制动参数的敏感性;中央扣对随机车载下短吊索轴向应力幅值的影响较小,而对因缆梁相对错动产生的弯曲应力幅值影响较大,减弱了短吊索的等效疲劳应力幅值及疲劳损伤度,尤其是距中央扣位置最近的短吊索,疲劳损伤度降低了近71.4%;因此,中央扣可有效控制运营阶段悬索桥短吊索的车载激励响应。     

随机车流荷载作用下斜拉——悬索协作体系桥的拉索疲劳响应分析

以一座自锚式斜拉——悬索协作体系桥的设计方案为研究背景,基于蒙特卡洛方法对实测车辆荷载进行模拟获得随机车流荷载队列,建立空间有限元模型提取典型位置的斜拉索和吊索的影响线,在影响线上施加随机车流荷载获得拉索的应力历程和应力幅值统计,按照Miner线性累积损伤理论计算了拉索静态疲劳累积损伤,考虑钢丝锈蚀和交通流增长的动态影响因素,计算了拉索随服役年限增长的动态疲劳累积损伤。分析结果表明,成桥运营期协作体系的最短的中跨斜拉索最易发生疲劳问题,吊索不易发生疲劳破坏;斜——吊索混合区的拉索相比纯斜拉区和悬索区拉索并无显著疲劳损伤;锈蚀因素对拉索的疲劳问题起关键作用,需重点做好拉索的防腐工作。     

重载交通作用下某斜拉桥疲劳损伤研究

该文以某公铁两用斜拉桥为背景,引入基于热点应力的S-N曲线,对重载交通作用下考虑公铁联合作用的结构疲劳损伤进行了研究。文中通过交通量调查获得共35个交通量样本数据,根据等效损伤原理得到典型疲劳车型和车辆荷载谱,应用Monte-Carlo方法和Miner线性损伤准则计算了典型构造细节的损伤度;为研究重载交通的影响,考虑了各疲劳车型超载一定比例和仅某种车型超载两种情况,探讨了重载交通对结构构件损伤的影响。研究结果表明,按目前的交通状况预测,大桥疲劳寿命满足设计要求,随超载车数量占总交通量比例的增加,构件疲劳损伤度迅速增长,相比其它车型,5轴以上车辆超载时损伤度有了明显的增加。     

基于交通量荷载调查的斜拉桥疲劳损伤研究

该文以某斜拉桥为背景,引入基于热点应力的S-N曲线,对重载交通作用下结构疲劳损伤进行了研究。文中通过交通量调查获得共35个交通量样本数据,根据等效损伤原理得到典型疲劳车型和车辆荷载谱,应用Monte-Carlo方法和Miner线性损伤准则计算了典型构造细节的损伤度。为研究重载交通的影响,考虑了各疲劳车型超载一定比例和仅某种车型超载两种情况,探讨了重载交通对结构构件损伤的影响。研究结果表明,按目前的交通状况预测,大桥疲劳寿命满足设计要求,随超载车数量占总交通量比例的增加,构件疲劳损伤度迅速增长,相比其它车型,5轴以上车辆超载时损伤度有了明显的增加。     

在役钢管混凝土拱桥吊杆疲劳可靠性分析

视中、下承式钢管混凝土拱桥吊杆的疲劳性能为随机变量,吊杆的应力历程为随时间变化的随机过程,提出了基于累积损伤模型的半动态疲劳可靠性分析模型。以依兰牡丹江大桥为例,通过广泛的资料调查,选择合适的吊杆疲劳性能参数,确定年交通量,并作出了合理的交通量预测,通过现场交通量调查,了解车辆的组成,建立了车辆荷载频值谱,通过建立有限元模型,计算得到吊杆响应,利用Monte-Carlo法对吊杆的疲劳可靠度作出了分析。     

随机车流-风联合作用下沿海大跨度斜拉桥拉索疲劳寿命预测

为了预测沿海大跨度斜拉桥拉索在车流、风和波浪等变幅荷载长期作用下的疲劳寿命，提出了沿海大跨斜拉桥拉索在随机车流、风和波浪荷载联合作用下拉索应力谱的计算方法和步骤，并基于线性疲劳累积损伤理论建立了斜拉桥拉索疲劳可靠度的计算框架。首先，根据桥上实测车流数据，建立了随机车流模型，基于桥址处风浪观测数据，运用二维Copula函数建立了桥址处风浪联合概率模型。然后，将生成的随机车流及风浪荷载作为外部激励，基于风-浪-车-桥耦合振动数值模拟平台，实现随机车流、风、浪荷载联合作用下的斜拉索应力谱的计算分析。最后，基于线性疲劳累积损伤理论推导了服役期内斜拉索疲劳可靠度及疲劳寿命预测公式，并以一座沿海大跨斜拉桥为例，结合桥址处的实测车流、风和波浪数据，计算了拉索在随机车流、风和波浪荷载联合作用下关键拉索的疲劳寿命。结果表明：车辆荷载主要影响拉索的应力响应均值，风荷载主要影响拉索的应力响应的脉动部分，而波浪荷载对拉索的应力响应影响非常小，可以忽略。此外，在随机车辆、风和波浪荷载共同作用下，拉索的日累积疲劳损伤符合威布尔分布，并且岸侧拉索的中间索疲劳寿命最低，为121年。研究成果可为沿海大跨度斜拉桥拉索疲劳可靠度分析及疲劳寿命预测研究提供参考。     

随机重载车辆作用下简支梁桥疲劳可靠度评估

为研究实际重载交通荷载作用下简支梁桥疲劳安全水平,提出了基于随机重载车流的既有桥梁疲劳可靠度分析方法。基于高速公路桥梁动态称重车流数据建立了重载随机车流模型,采用响应面方法分析随机车辆对桥梁产生的等效疲劳应力,模拟了考虑车辆超载率上限的疲劳应力谱,估算了运营期内交通变化对简支梁桥疲劳可靠指标的影响。研究结果表明:总重相等的不同车型对简支梁桥产生的等效疲劳应力幅不同,主要表现在随着车轴数量的增长,桥梁的等效疲劳应力幅有所降低;在未控制超载车辆时,桥梁的疲劳应力谱表现出明显的双峰特征,而采用超载率上限控制措施之后,高幅疲劳应力概率密度峰值有所降低;交通量增长导致桥梁疲劳可靠指标显著降低,且随着运营期的增长该下降趋势更加明显;设置100%和50%的车辆超载率上限,将导致40m简支T梁桥在运营期内疲劳可靠指标分别由2.54升高至2.74、2.91。     

公路钢拱桥H型吊杆疲劳性能研究

对公路钢拱桥H型吊杆进行了精细化受力分析,通过局部有限元仿真模型分析找出了疲劳破坏的关键部位,利用我国公路钢桥规范疲劳荷载计算模型,基于构造细节的疲劳强度曲线与Miner损伤累积法则,对H型吊杆进行了疲劳分析。该方法可推广到同类吊杆的疲劳分析。研究结果验证了短吊杆是疲劳破坏薄弱位置的观点,有必要对其进行专门的疲劳分析,通过改变吊杆端部的连接形式,可以大幅改善H型短吊杆的抗疲劳性能。     

基于路面退化模型的在役拱桥吊杆疲劳分析

现有在役拱桥吊杆疲劳分析中,较少考虑车-桥耦合振动因素,致使分析成果具有一定局限性。该文综合考虑车-桥耦合振动和路面平整度退化影响,将路面平整度退化模型引入拱桥吊杆疲劳分析中,结合交通量增长和路面等级退化以及车速等影响因素,建立了新的吊杆疲劳分析模型。以某拱桥为工程背景,对比分析了典型吊杆的疲劳损伤与疲劳寿命的影响因素。结果表明:在设计基准期内,基于车-桥耦合因素的在役拱桥吊杆疲劳分析得到的疲劳损伤较大、疲劳寿命较短,计算结果更加精确,研究成果对桥梁结构的正常使用状态评估有一定的促进意义。     

基于影响函数的随机车流作用下大跨度悬索桥风致应力响应分析

为了解决大跨度桥梁在随机车辆荷载和风荷载作用下局部应力求解耗时问题,首先以矮寨大桥为工程背景,建立壳-梁混合单元有限元模型,确定大桥应力的关键位置及关键点,采用分段拟合方法获得随机车辆荷载的影响面函数和风荷载的影响线函数;结合吉茶高速实际交通量特征及随机参数分布特征,采用蒙特卡罗方法,编制抽样程序生成随机车流样本。其次采用风-车-桥耦合振动分析获得典型车辆的等效车辆荷载;引入风荷载动力影响系数,提出了一种简便实用的随机车流下大跨度桥梁风致应力分析方法。最后应用ANSYS计算分析结果验证所提方法的正确可行性,分析矮寨大桥在随机车流和风荷载联合作用下的关键点应力响应。结果表明：风速低于15 m·s^-1时,风荷载引起大桥关键点应力响应远小于车辆荷载引起的应力响应;繁忙车流下应力响应的幅值并不比稀疏车流下的应力幅值大很多,但是繁忙车流下应力响应的峰值数量远大于稀疏车流下的峰值数量,即应力的循环次数多,会增大桥梁的疲劳损伤。     

桥梁拉、吊索疲劳特性分析

本文选取了中、下承式拱桥各1座,斜拉桥、悬索桥各2座,提取最长和最短拉、吊索的影响线,用相同的车流对影响线进行加载得到拉、吊索的应力历程,并对该应力历程进行雨流计数,最后得到应力谱。计算分析结果表明:连续型桥面系保证了多个拉吊索共同承担车辆荷载,拉吊索受力比较均匀,在运营过程中不会发生由于单根拉吊索破坏导致整个桥梁坍塌的现象,且利于今后吊杆的更换;疲劳积伤主要受影响线长度和峰值影响,斜拉桥和悬索桥中,短拉吊索的疲劳积伤程度均要大于长拉吊索。     

行车荷载与温度综合作用下沥青路面疲劳损伤分析

沥青混合料的劲度模量是温度与荷载作用时间的函数,沥青路面疲劳损伤不仅与行车荷载的反复作用有关,而且需要考虑温度因素的影响。文中采用沥青结构层温度场预估模型和疲劳寿命预测方程,结合沥青混合料劲度模量和Miner疲劳损伤累积定律,预估并分析行车荷载与温度综合作用下沥青路面的疲劳损伤,进而对不同的行车荷载与温度组合作用下沥青路面疲劳损伤的结果进行比较。结果表明:温度对沥青结构层的疲劳损伤有较大的影响,随着温度的升高,沥青混合料劲度模量减小,沥青结构层的疲劳损伤增加;行车荷载与温度综合作用下沥青路面疲劳损伤比仅考虑行车荷载作用下沥青路面疲劳损伤增加30%~40%;考虑温度作用时,重载车辆对沥青路面疲劳损伤的影响更大。     

基于WIM的随机车流建模和简支梁桥荷载效应研究

为研究实际车辆运营状态下的行车参数特征及车辆荷载作用效应,基于宜泸高速南溪长江大桥路段的动态称重系统(WIM)实测数据,建立了符合宜泸高速行车车速、车距和轴重参数的概率模型,依据MATLAB软件编制随机车流模拟程序,对6种跨径(6,8,10,20,30,40m)的简支梁进行随机车流加载,得到随机车流作用下简支梁桥设计基准期内的荷载效应极值概率分布,并与我国公路Ⅰ级、英国BS 5400和美国AASHTO设计荷载规范对比。结果表明:车流量和车速大小随驾驶人员作息时间呈规律性变化;纵向车距服从威布尔分布,各车道车辆分布不均衡;车辆轴重服从高斯混合多峰分布;随机车流作用下简支梁桥的实际荷载效应平均值为设计荷载效应平均值的0.82倍,满足设计要求。     

公路钢桥疲劳设计横向多车效应分析

为研究公路钢桥疲劳荷载横向效应,根据公路桥梁的交通特点和过桥车辆的随机性,采用已推导出的公路钢桥标准疲劳车辆荷载模型,基于Palmgren-Miner线性累积损伤准则,计算构件累积损伤度。运用概率理论分析方法,通过多辆车在同一车道上同时行驶、多辆车在不同车道上同时行驶、多辆车在不同车道上交替行驶,3种公路桥梁横桥向多车效应的情况分析,得出2、3、4车相遇概率与次数的计算方法,最终推导出公路钢桥疲劳设计时考虑横向多车效应确定横向系数的方法。给出适合我国国情的公路钢桥疲劳设计的荷载谱,以及疲劳设计时应采用的横桥向多车效应修正系数。     

公路桥梁标准疲劳车辆荷载研究

为推导我国公路桥梁疲劳设计荷载标准,根据我国现有高速公路交通车辆荷载的调研数据,以等损伤度为理论基准,得出适用于不同地区的公路疲劳车辆荷载典型车式样,以上述疲劳典型车辆为蓝本,建立典型跨径的公路桥梁疲劳验算模型,进行构件疲劳损伤度计算,确定相应的公路桥梁疲劳车辆荷载标准车式样及对应跨径(或影响线长度)的纵向修正系数,由此构成完整的公路桥梁标准疲劳车辆荷载谱.这一结论为疲劳设计提供了标准车辆荷载谱,填补我国公路桥梁疲劳设计的空白.     

广西地区高速公路桥梁疲劳荷载谱研究

利用动态称重系统获取了南友高速公路的车辆荷载数据,基于疲劳损伤等效原理推导出反映广西地区实际交通特征的疲劳荷载谱,分析了典型样式车引起的疲劳损伤与影响线长度的关系,研究结果表明疲劳损伤占比最大的车型随影响线长度不同而改变。最后,通过对规范标准疲劳车与本文提出的疲劳荷载谱引起的疲劳损伤进行比较分析,提出了广西地区高速公路桥梁进行疲劳设计的损伤修正系数建议值,以供设计人员参考。     

基于现场实测的大跨钢桁悬索桥疲劳可靠度分析

为了研究大跨度钢桁架悬索桥桁架杆件在随机车流荷载作用下的疲劳可靠度,首先以某大跨钢桁悬索桥为工程背景,建立梁-壳混合单元空间桁架主梁有限元模型,确定钢桁加劲主梁应力的关键位置。然后,针对主桁梁应力关键点对该桥进行测点布置并进行了短期的动态应变监测。随后,采用核密度估计方法建立基于小样本的日等效应力幅和日循环次数的概率分布模型。最后,基于Palmgren-Miner线性累积损伤准则及欧洲钢结构设计规范Eurocode 3的疲劳强度S-N曲线建立了关键构件的疲劳损伤极限状态方程,采用Monte-Carlo方法计算分析了不同交通增长系数下所测关键构件的时变疲劳可靠度。研究结果表明:该大跨钢桁悬索桥钢桁架主梁结构在车辆荷载下处于低应力状态,但是应力循环次数较高;车辆荷载对主横桁架外侧斜腹杆产生的疲劳荷载效应大于其他杆件,即斜腹杆更容易发生疲劳破坏,需引起高度关注;在短期监测情况下,采用核密度方法建立基于小样本的概率模型进行大桥疲劳可靠度分析是可行有效的;交通量的增长对疲劳可靠度指标的影响很大,车辆荷载引起的疲劳问题不容忽视;但总体来说所测关键构件的疲劳可靠度水平较高,在设计基准期内,发生疲劳破坏的可能性极小。