探索疲劳损伤理论在车辆疲劳试验中的应用

本文初步探索了在车辆疲劳试验过程中运用疲劳损伤理论的主要计算方法——雨流法技术，来实现对车辆疲劳试验时间的重新确定。从而在更有效的时间内，达到试样疲劳的同等效果。通过对样本（B车）的试验分析，证明疲劳损伤理论在耐久试验中应用是非常有效。     

路面材料疲劳损伤分析及疲劳寿命预估

针对路面结构在车辆荷载作用下的疲劳损伤演化及疲劳寿命,运用损伤力学相关理论建立梁式结构的疲劳损伤演化模型,并结合小梁疲劳试验,分析路面材料小梁试件在重复加载下的疲劳损伤演化规律及疲劳寿命。结果表明,对于沥青混合料、水泥稳定碎石、二灰土3种材料而言,当疲劳损伤演化模型指数p分别取4.0、7.2、6.3时,理论分析得到的小梁跨中挠度和疲劳寿命与试验结果比较接近;对于3种材料的小梁试件,随着荷载循环次数的增加,小梁底缘中点的损伤度逐渐增加,且增加的幅度逐渐增大,体现出非线性变化的规律;随着荷载循环次数的增加,小梁跨中挠度逐渐增加,且增加的幅度逐渐增大,与损伤度的变化规律一致。     

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.     

沥青混合料拉压疲劳损伤试验

为研究沥青路面结构实际处于拉压应力作用下的疲劳损伤特性,针对沥青混合料AC-13开展了连续式交变正弦波形加载的小梁拉压疲劳试验。依据损伤力学基本理论,采用唯象学方法分析了沥青混合料的拉压疲劳损伤特性。介绍了拉压疲劳试验方法及影响因素,根据疲劳试验结果得到了拉压疲劳方程;基于弹性模量定义的损伤变量,建立了拉压疲劳损伤模型,拟合疲劳试验结果确定了损伤参数,获得了考虑应力水平的拉压疲劳损伤演化方程。研究结果表明:疲劳损伤参数α、β随应力水平增大而增大,且近似呈线性关系;拉压疲劳损伤演化大致呈3阶段变化规律,即损伤萌生、损伤稳定增长和损伤失稳破坏阶段;应力水平越大的损伤演化曲线越靠下,随寿命比变化疲劳损伤演化速度越缓和。     

云南省公路桥梁疲劳荷载车辆模型研究

公路桥梁活载是桥梁疲劳失效的主要影响因素,而公路桥梁承受活载情况极其复杂,要制定普遍意义上的疲劳荷载谱,必须选取典型路段进行交通量调查,经过统计分析得到实测的车辆荷载频值谱。根据等效疲劳损伤原理,将实测的车辆荷载频值谱简化为由疲劳荷车辆组成的荷载频值谱,根据车辆组成的荷载频值谱建立了云南省公路桥梁疲劳荷载车辆模型。研究结果表明造成云南省内公路桥梁疲劳累积损伤的主要车辆为两轴的大型客车及货车,研究结果可供云南省公路桥梁疲劳损伤验算或疲劳设计时参考。     

沥青路面线性疲劳损伤特性及应力状态演变规律

为了研究沥青路面结构在车辆荷载作用下的疲劳损伤演化特性及应力状态演变规律,运用通用有限元软件ABAQUS及二次开发平台,建立考虑路面材料线性疲劳损伤的沥青路面结构数值计算模型,分析沥青路面结构在车辆荷载反复作用下路面结构损伤以及路面结构内部水平正应力的空间分布与演化规律。结果表明:路面结构损伤主要分布在双轮中心线下靠近层底的区域,随着荷载作用次数增加,基层层底与底基层层底损伤度均增加,但增加幅度逐渐减小;双轮中心线下靠近层底区域,考虑损伤的路面结构相比无损路面结构,水平拉应力均有所减小,且随荷载作用次数增加,水平拉应力逐渐减小,但减小的幅度逐渐趋缓。研究结果可用于路面维修养护中路面破坏区域及程度的判断,以及路面设计研究中设计指标的确定。     

车辆荷载对山区悬索桥加劲梁疲劳损伤的影响

以某悬索桥为背景工程,建立了该桥对应的ANSYS全桥有限元模型,并以标准疲劳车分别对各车道进行了加载,找出了应力幅最大的主梁桁架杆件节点作为关键节点。根据该悬索桥的现场实测数据,分析了主梁关键节点的应力历程曲线,利用雨流计数法处理得到了该桥的疲劳应力谱。结合线性疲劳累积损伤理论,对该悬索桥关键节点疲劳寿命做出了简单预测,并根据交通量增长率变化情况,预测了该悬索桥的远期交通量发展情况以及加劲梁的远期疲劳寿命。研究表明,公路桥梁交通量的变化情况对主梁疲劳寿命的影响不可忽略;山区公路桥梁与城市公路桥梁的交通量变化趋势差别较大,且山区桥梁通行车辆中重车占比较高。     

沥青路面轴载换算新方法

现规范沥青路面轴载换算是基于疲劳损伤等效建立的,采用的是线性疲劳损伤理论,这种换算方法无法考虑既有损伤对后续加载过程的影响,低估了荷载的作用,造成换算的不科学性,为了解决这个问题,论文通过沥青混合料疲劳试验,建立了沥青混合料的非线性疲劳损伤演化方程,据此,建立了基于非线性损伤理论的沥青路面轴载换算新方法。     

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。     

基于能量法的组合梁桥拥堵车辆怠速振动所致疲劳损伤评估

针对拥堵车辆怠速振动造成的城市桥梁疲劳失效风险,利用ABAQUS建立车辆拥堵荷载作用下的车-桥耦合有限元模型,通过动力响应分析和应力循环计数,采用能量法以总应变能密度为损伤参量,计算4种拥堵工况下城市组合梁桥钢箱构造细节的疲劳累积损伤,并通过与规范标准疲劳车畅通运行状态时的损伤对比,综合评估车辆拥堵对城市组合箱梁桥疲劳...     

车致疲劳损伤对钢-混凝土组合梁桥极限承载力可靠度的影响

钢-混凝土组合梁桥因其发挥了2种材料各自的优势,被广泛应用于中小跨径的桥梁结构中,而极限承载能力是评判其安全与否最直观的指标之一.为了对现役钢-混凝土组合梁桥的极限承载力进行更为准确的评估,提出一种确定钢主梁极限承载能力可靠度的新方法,该方法能考虑车辆荷载引起的疲劳累积损伤对钢主梁极限承载力的影响.首先建立了三维车桥耦...     

致损荷载信息缺失在役钢桥的疲劳损伤状态重构方法

大多数在役钢桥的致损荷载信息缺失,根据不完备监测检测信息重构结构的疲劳损伤状态,是确保结构服役安全的基本前提。基于部分疲劳开裂信息反向重建等效致损荷载信息,提出了致损荷载信息缺失条件下的在役钢桥疲劳损伤状态重构方法。首先通过线性损伤累积理论和等效结构应力评估方法计算不同荷载工况下的疲劳敏感构造细节疲劳损伤累积;以钢桥服役期间疲劳损伤监测检测获得的疲劳裂纹检测结果为约束条件,将荷载工况的线性组合作为等效荷载历程,实现了在役钢桥结构的疲劳损伤状态重构;通过模型试验对所提出的疲劳损伤状态重构方法进行了验证。研究结果表明:基于疲劳裂纹损伤信息,在致损荷载信息缺失条件下重构得到的疲劳敏感构造细节损伤状态重构结果与试验结果吻合,证明了致损荷载信息缺失条件下实现疲劳损伤状态重构的可行性和所提出方法的有效性,为在役钢桥的实际疲劳损伤状态评估提供了新思路和新方法。     

基于有限元方法的复合钢混凝土桥梁热点应力分析研究

通过建立复合钢混凝土疲劳危险部位焊接构件的三维有限元模型,围绕桥梁交通荷载作用下局部热点应力和疲劳损伤累积进行分析,获得合适的在役钢-混凝土桥梁关键焊接构件的疲劳损伤评价方法。研究结果表明:采用大桥有限元模型进行动力特性分析,模型计算固有频率和实测值最大误差在10%以内,计算的动力特性和设计测试阶段特性相符;钢混凝土桥梁纵向加劲桁架细节热点应力区域出现在上下弦杆与对角撑、盖板连接处,与焊缝构件最大疲劳损伤位置一致,主梁框架热应力出现在靠近公路外侧梁腹板连接处;通过线性米勒准则获得的疲劳损伤累积呈线性变化,在高周疲劳损伤初期损伤率增长较慢,后期较快,适用于在役结构疲劳寿命评价。     

正交异性钢桥面板构造细节疲劳性能及损伤演化研究

针对正交异性钢桥面板,设计了相应的典型焊接构造细节,并进行了疲劳试验研究.疲劳试验结果表明,(1)横肋受力比较复杂,在箱梁端部横隔板与纵肋焊接位置下端首先出现细微的疲劳裂纹;(2)纵肋与顶板焊缝连接处外侧顶板与纵肋的损伤发展较大,疲劳破坏的位置为面板与纵肋交汇处焊缝构造,且均发生在面板母材上,而内侧顶板则无明显的损伤.同时,基于残余应变模型,研究了正交异性钢桥面板损伤发展历程,并利用连续分段函数模型描述整个寿命过程中的损伤累积规律,与已有试验资料对比表明了该函数模型的正确性.     

定侧压混凝土双轴拉-压疲劳累积损伤试验研究

在对有限预应力混凝土桥梁结构进行损伤分析与剩余寿命估算时,为了解混凝土在双轴波动拉-压应力作用下的疲劳强度和损伤特性,通过室内小尺寸的变截面棱柱体试件的双轴疲劳试验,得到了定侧压下混凝土等幅和变幅重复荷载作用下的轴心拉-压疲劳方程和疲劳变形特性。由等幅疲劳变形模量定义了损伤变量,拟合试验结果得到了相应的损伤演化方程;依据损伤演变与损伤状态、加载条件间的相关性,建立了相应的疲劳损伤模型。研究表明:极限疲劳割线模量衰减率可作为混凝土发生拉-压疲劳破坏的标志;用规范化的疲劳变形模量定义损伤变量,建立的损伤累积模型,用于疲劳损伤分析和剩余寿命预测时具有较高的精度。     

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。     

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。     

焊接钢桥腹板出平面变形疲劳问题的有限元分析

焊接钢桥的腹板在交通荷载作用下产生的出平面变形可以导致腹板空隙处的疲劳开裂,为了分析导致腹板空隙处疲劳开裂的位置、形式以及原因,对一座钢桥的一跨建立了三维有限元模型,并采用了子模型方法对腹板空隙处进行了细致的分析,得到腹板空隙处的应力水平和分布规律。通过分析得到焊接钢桥腹板出平面变形导致腹板空隙处的应力十分复杂,造成多个区域的应力集中。在AASHTO疲劳车的作用下,腹板空隙处的最大应力可以达到200MPa,这样就导致在交通荷栽的反复作用下疲劳裂纹的产生,同时对相应的维修加固策略进行了探讨。研究也显示出了有限元方法分析复杂区域的优越性。