考虑随机车载-风载联合作用的斜拉桥拉索疲劳可靠性分析

以某大跨斜拉桥为工程背景,对随机车载与风载联合作用下的斜拉索疲劳可靠性进行了分析。首先,依据交通调查数据,建立随机交通荷载模型,基于桥位处多年风速统计资料,建立大桥风载概率模型;然后,采用自编的风-车-桥动力响应分析程序,实现随机车载与风载联合作用下的拉索应力谱计算分析;最后,基于累积损伤理论和Monte-Carlo法开展拉索的疲劳可靠度和疲劳寿命分析。研究结果表明：风载对斜拉索疲劳可靠度影响显著,且该影响由短索到长索呈不断增大的趋势;考虑车载-风载联合作用的拉索疲劳寿命较仅考虑车载的情况下降2%～63%,平均达50%。     

车辆荷载作用下部分斜拉桥拉索疲劳可靠度研究

鉴于我国《公路斜拉桥设计规范》未对部分斜拉桥拉索的允许应力值作具体规定，因此，为定量地研究车辆荷载作用下部分斜拉桥拉索的疲劳可靠度，在分析斜拉索应力时程的基础上，依据等效疲劳损伤原理，对车辆荷载作用下部分斜拉桥拉索疲劳可靠度进行了研究。通过假定结构疲劳寿命服从威布尔分布，推导出了疲劳可靠度公式和疲劳可靠指标β值，得到了运营车辆组成的模型车辆荷载频值谱，并以某部分斜拉桥为实例进行了验证。结果表明，部分斜拉桥设计中，拉索强度允许应力值是合理的，不会对拉索产生疲劳破坏，因此，可供其他桥梁疲劳设计或疲劳损伤验算时参考。     

实测车流荷载下斜拉索疲劳可靠度研究

为研究重载交通下既有斜拉桥斜拉索的疲劳安全水平,提出基于实测车流数据的斜拉索疲劳可靠度评估方法,在某高速公路桥梁重载车流监测数据的基础上建立随机疲劳车流模型,加载至斜拉索的应力影响线,由雨流计数方法计算提取疲劳应力谱,采用高斯混合模型拟合疲劳应力概率密度函数;以主跨420m砼双塔斜拉桥为工程背景,评估交通荷载增长情况下斜拉索的疲劳可靠度。结果表明,当交通量年线性增长率由零增长到0.5%时,斜拉索第100年的疲劳可靠度由5.10下降至0.92;当车重年线性增长率由零增长至0.5%时,疲劳可靠度由5.10下降至0.84。     

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。     

大跨度斜拉桥拉索疲劳参数分析中移动荷载的选定

以苏通大桥第J32号斜拉索为分析对象,对其疲劳荷载谱计算方法进行研究。分别采用单一疲劳车和车道折减等2种不同移动疲劳荷载模型计算斜拉索等效疲劳应力幅值,并对其结果的合理性进行对比分析。得出结论:对于大跨度斜拉桥,采用车道折减荷载分析斜拉索轴向疲劳应力较为理想。     

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。     

部分斜拉桥斜拉索设计方法研究

部分斜拉桥结构体系具有斜拉桥和连续梁桥的双重结构特性,其主要承重构件斜拉索的设计与斜拉桥斜拉索有不同之处,本文介绍了部分斜拉桥拉索、索鞍的构造特点及锚固方式,研究了部分斜拉桥斜拉索静力强度的允许应力[σ]=0．6R^b的合理性和以此值作为应力上限的200万次循环荷载作用下拉索的抗疲劳强度。通过两座部分斜拉桥拉索的疲劳试验结果,验证了本文介绍的疲劳强度设计方法的正确性。     

风浪荷载共同作用下大跨度刚构桥动力响应规律研究

风浪作用在结构上会对结构产生动力作用,从而影响到结构的内力及响应。为研究风浪作用下大跨度连续刚构桥的动力响应规律,利用通用有限元软件ANSYS建立了刚构桥的有限元模型,并以经典理论为基础,在风浪耦合关系的基础上建立了风场和波浪场的数值模型,此数值模型在抖振力响应的基础上考虑了波浪对风场的影响。对大跨度刚构桥在风浪荷载共同作用下的动力响应结果进行了分析。研究结果发现:对比风荷载、波浪荷载单独作用及风浪荷载共同作用下桥梁不同位置的横向位移响应结果,墩顶位移相对增幅要大于跨中位移相对增幅,波浪荷载作用对桥梁横向位移响应的影响从桥墩到跨中依次减小;对比风荷载、波浪荷载及风浪荷载共同作用下桥梁墩底剪力及墩底弯矩响应结果,波浪荷载作用对墩底横向剪力、墩底纵向剪力、墩底绕横桥向弯矩和绕纵桥向弯矩均有明显影响,波浪荷载作用对墩底剪力的影响很大,对墩底弯矩的影响较大;风浪荷载共同作用并不是风荷载、波浪荷载单独作用下响应的简单叠加,波浪形成时会对风场产生影响,除了随机湍流风速以外,波浪会引起与波浪同步的上方气流速度变化,在风浪场中的风速模拟时,需要考虑波浪对上部气流的影响,因此对横向位移响应影响较大的主要作用为风荷载作用,但并不意味着可以忽略波浪荷载的作用。     

风、列车作用下大跨度斜拉桥索-梁相关振动研究

为了研究大跨度铁路斜拉桥在随机风、列车动力作用下索-梁相关振动导致的拉索振动状态,开发三维空间非线性有限元动力计算程序、列车动力学模型、风场模拟算法,以实际斜拉桥为研究对象,建立全桥三维有限元计算模型进行详细的计算分析。首先,分别使用拉索不分段与分段的全桥模型进行模态计算,讨论拉索局部振动特性与全桥振动特性之间的关系。然后,计算在简谐外激励作用下斜拉桥全桥的非线性振动时程,对比单根拉索在端部位移激励下的非线性振动特性与全桥结构中拉索发生大幅索-梁相关振动之间的差别,依据非线性振动理论,讨论实际斜拉桥中拉索发生索-梁相关振动的共振条件。最后,使用拉索分段的斜拉桥全桥模型,研究在三维空间中,风场动力作用、列车动力作用、风-列车-桥梁耦合动力作用在各个工况下对斜拉桥全桥索-梁相关振动的影响。研究结果表明：对于大跨度铁路斜拉桥,在实际日常运营状态下,风和列车的作用不会使结构进入非线性振动状态;单独的风或列车动力作用不会使拉索达到索-梁相关振动的共振条件;风-列车-桥梁耦合动力作用下拉索振动相对单独的风、列车作用更为明显,但也不会使拉索达到索-梁相关振动的共振条件。     

随机风、车流联合作用下大跨公路悬索桥纵向振动特性研究

为了研究随机风、车流荷载联合作用下大跨公路悬索桥纵向振动特性,基于元胞自动机原理建立了随机交通流模型,采用平稳高斯过程模拟风荷载,同时考虑随机风、车流与桥梁的相互作用,利用ANSYS和MATLAB混合编程技术建立了风-车-桥空间耦合振动分析平台,并基于该平台对随机风、车流荷载单独作用以及联合作用下某大跨公路悬索桥加劲梁的纵向位移时程、纵向位移极值和纵向累积位移等特性进行了深入的研究。研究结果表明：低风速下（5 m·s^-1）由单风引起的加劲梁纵向位移极值要远小于由单车（流）引起的加劲梁纵向位移极值（不足5.0%）。当风速增加至20 m·s^-1时,风致加劲梁纵向位移极值分别为稀疏交通流和轻微拥堵交通流引起加劲梁纵向位移极值的57.7%和24.2%。此外,还发现风-车-桥耦合效应显著,若不考虑风-车-桥耦合效应的影响而采取单个荷载效应线性叠加的方法,将明显低估加劲梁纵向位移的极值响应。风荷载单独作用下加劲梁纵向位移极值的概率分布均服从对数正态分布;车流荷载单独作用以及风、车流荷载联合作用下加劲梁纵向位移极值的概率分布均服从广义极值分布。虽然风荷载对加劲梁纵向位移极值的贡献与车流荷载相比要小很多,但由于风致加劲梁纵向振动的频率较高,风荷载对加劲梁纵向累积位移的贡献要比对纵向位移极值的贡献显著。     

服役斜拉索疲劳状态的全场域在线实时监测与智慧感知

为了能对斜拉桥拉索的服役性能进行更为准确和及时的评估,提出了一套服役期拉索疲劳状态评估的全场域实时监测与智慧感知技术方案。该方案首先给出了基于拉索横向动刚度分析理论的拉索全场域、全应力时程的实时感知方法,其次利用Miner线性疲劳累计损伤理论评估拉索全场域的疲劳损伤状态;最后,将其应用于一座斜拉桥的拉索的振动监测信息处理上,证明了所建议的技术和方案可实现服役拉索疲劳状态的全场域实时监测和智慧感知。具体结论如下:在拉索疲劳应力幅的组成中,由外荷载引起的索端位移产生的索力变化所产生的应力占比最大,当拉索发生较大幅度振动时,振动附加索力变化产生的应力也不可忽略;通过对拉索疲劳应力幅的统计分析发现,与长索相比,短索对外荷载更加敏感,通常会引起更大和更频繁的索力变化,故在斜拉桥拉索疲劳分析中,应对短索给予更多的关注;在拉索疲劳损伤分析时,弯曲应力和腐蚀的影响非常显著,若要使拉索疲劳寿命的预测更接近实际工程情况,需要考虑弯曲应力和腐蚀的影响;在应力幅较大的区域,对应循环次数较少,但拉索疲劳损伤度较大,在应力幅较小的区域,虽然循环次数较多,但拉索的疲劳损伤度较小,所以,在疲劳分析中,拉索应力幅比循环次数更值得关注。     

应用碳纤维索的大跨径斜拉桥抗风性能研究

为了探讨碳纤维复合材料在大跨径斜拉桥中应用的可能性,以拉索等轴向刚度为原则,拟定了一座主跨为500 m的应用碳纤维索的大跨径斜拉桥,并运用三维非线性计算理论进行了动力特性、静风特性和空气动力稳定性分析。分析结果表明大跨径斜拉桥采用碳纤维索后:(1)结构的自振频率有所提高;(2)静风作用下结构变形增大,但其静风性能却与钢索斜拉桥基本一致;(3)空气动力稳定性与钢索斜拉桥基本一致。因此从抗风性能角度而言,大跨径斜拉桥采用碳纤维索是可行的,但是拉索截面尺寸应采用等轴向刚度原则来确定。     

钢桥面板疲劳损伤智能监测与评估系统研究

正交异性钢桥面板作为大跨度桥梁的首选桥面板结构,实时监测并准确识别其重要构造细节的疲劳损伤程度,在此基础上预测剩余疲劳寿命,对于大跨度桥梁的服役期管理维护决策至关重要;但正交异性钢桥面板的疲劳问题具有多尺度、多模式、随机性、隐蔽性等特性,且其对结构静动力响应的影响仅限于疲劳裂纹附近的局部区域,传统的损伤识别方法难以准确识别。结合智能技术的最新发展和正交异性钢桥面板疲劳问题的基本属性,构建了其疲劳损伤智能监测与评估系统,并对其疲劳损伤指标和疲劳损伤智能评估的相关关键问题进行研究。提出了基于等效结构应力的正交异性钢桥面板多尺度疲劳损伤评估方法;建立了考虑随机因素的结构体系实时疲劳损伤评估及剩余寿命预测方法;构建了正交异性钢桥面板疲劳损伤智能监测与评估系统;基于实际桥梁结构的交通量和结构响应监测信息,对所建立的正交异性钢桥面板疲劳损伤智能监测与评估系统进行了验证。研究结果表明：在实际交通荷载作用下,顶板与纵肋连接细节的疲劳主导失效模式为焊根部位起裂沿顶板扩展,所提出的疲劳损伤评估方法的评估结果与实际结构一致,表明所提出的方法能够准确确定结构体系的疲劳失效模式;疲劳损伤智能监测与评估系统所确定的实桥疲劳损伤及剩余寿命预测结果与实际桥梁疲劳损伤开裂时间基本一致;所建立的智能监测与评估系统可为正交异性钢桥面板疲劳损伤过程和寿命评估提供理论依据及支撑,并为实桥的运营管理养护决策提供科学依据。     

基于特征熵权与样本加权的大跨桥梁多车道交通荷载聚类模型

为满足交通流荷载作用下大跨桥梁结构评估的需要，研究了基于荷载参数特征的交通流状态划分方法。首先，基于实测交通流数据，按照车道属性统计分析得到交通流的单位小时特征参数样本，选择单位小时内车型比例、车头间距及交通流速度作为交通流状态划分的参考特征；其次，改进经典k-means聚类算法以增强其对高维、复杂交通流荷载分类的鲁棒性，即通过引入特征熵值来表征各特征参数对聚类效果的重要性，同时计算样本点与周围样本点的接近程度来赋予样本点权值，以削弱样本离散性对聚类质量的不利影响；最后，通过聚类算法得到11种具有不同参数特征的交通流荷载，分析了其作用下某大跨斜拉桥拉索应力响应及造成的疲劳损伤。结果表明：改进算法的聚类质量指标比原始k-means算法提高了40%以上，对交通流状态划分具有良好的适用性；通过算法得到的不同类别的交通流荷载的特征参数差异性明显，其占有率也大不相同，同一类别的交通流荷载各样本特征参数聚拢效果良好；同车道内不同类别的交通流荷载的拉索等效应力差别较大，其变异系数均在0.2以上，尤其在考虑了不同交通流荷载模型的占有率后，这种差异性进一步增大。上述结果表明该交通流荷载聚类与模拟方法是有效、准确的，对相关大跨桥梁结构安全及耐久性评估有一定的参考价值。     

大跨径斜拉桥钢结构疲劳监测与评估

以某大跨径斜拉桥为研究背景，基于钢箱梁的定期检测结果，研究了该斜拉桥的钢结构疲劳性能。在疲劳开裂较严重的顶板与U肋焊接细节、关键受力部位的底板与U肋焊接细节、索梁锚固区焊接细节布置传感器，测试各主要焊接细节的疲劳应力历程，基于雨流计数法获得疲劳应力谱。分析结果表明:苏通大桥目前的交通流量远大于2010年前的交通流量；钢箱梁底板与U肋焊接细节、索梁锚固区锚固板与外腹板焊接细节的疲劳寿命评估结果大于设计使用年限；若不计焊接初始缺陷与焊接残余应力，顶板与U肋焊接细节不会过早地发生疲劳破坏。     

斜拉索腐蚀损伤下斜拉桥体系可靠度研究

拉索腐蚀疲劳累积损伤是威胁斜拉桥运营安全的关键因素,导致斜拉桥运营期的换索次数多且换索成本高。为了准确评定斜拉索腐蚀疲劳损伤对斜拉桥结构安全的影响,从结构体系可靠性角度探索拉索腐蚀疲劳损伤的概率传递模型。分析了斜拉索腐蚀疲劳损伤对结构体系可靠度的影响规律,从而为换索决策提供依据。研究结果表明,疲劳和疲劳腐蚀效应共同作用下的拉索在20 a服役期内的强度系数分别为0.928和0.751,斜拉索抗力退化将导致斜拉桥主要失效路径变化,主梁索间距为30 m的斜拉桥在服役期的13 a,主要失效模式从由主梁弯曲失效转移至斜拉索强度失效,导致后期的结构体系可靠指标快速下降。     

超大跨度CFRP索斜拉桥的力学性能分析

为了探讨碳纤维材料(CFRP)索在超大跨度斜拉桥中应用的可行性,以1400 m主跨的超大跨度钢拉索斜拉桥设计方案为例,采用拉索的等强度和等轴向刚度方法,拟定了两座等跨径布置CFRP索的方案桥,分别采用结构三维几何非线性方法、子空间迭代法、空气动力稳定性分析方法以及地震响应的反应谱分析方法,对应用钢索和CFRP索的超大跨度斜拉桥的静力特性、动力特性、抗风稳定性以及抗震性能等进行了分析与比较,并从力学性能角度探讨了CFRP索在超大跨度斜拉桥中应用的可行性。结果表明:从力学性能角度而言,超大跨度斜拉桥采用CFRP索是可行的,但是拉索截面尺寸采用等轴向刚度方法确定则更有利。