基于美国规范的桥梁疲劳设计优化及应用

为了更准确地考虑路面不平整度变化引起的车辆荷载动力效应对桥梁构件疲劳累积损伤的影响,首先研究了钢桥路面不平整度在假定的车辆和环境荷载条件下的劣化过程,得到路面不平整度从一个等级退化到另一个等级过程中通过的车辆数量;然后,分别建立桥梁和车辆的三维模型,根据车辆和桥梁接触点位移和作用力的关系构建车-桥耦合振动方程,并利用模态叠加技术和4阶龙格库塔方法在时域内对其进行求解。通过数值计算研究了根据美国AASHTO桥梁规范设计的5座不同跨径Ⅰ-型简支钢梁桥的主梁在不同路面不平整度下每辆车通过时承受的应力幅冲击系数和等效应力幅度个数。最后,通过考虑路面劣化过程中过往车辆对桥梁构件疲劳累积损伤的影响,对AASHTO规范中疲劳动力冲击系数和应力幅个数这2个直接影响桥梁疲劳寿命的参数进行了优化设计,并探讨了如何借鉴此优化方法来完善中国钢结构桥梁构件的疲劳设计和评估。结果表明:美国AASHTO规范里规定的疲劳冲击系数0.15适用于跨径大于23m的桥梁,而对短跨桥梁而言,需要采用更大的疲劳冲击系数;当桥梁跨径大于23m时,每辆车通过桥梁时主梁承受的应力幅个数设计值可取1,小于23m时可根据所提出的应力幅个数设计公式计算确定。该优化方法可用来完善中国钢结构桥梁构件的疲劳设计和评估。     

预应力混凝土箱梁桥腹板疲劳寿命评估方法研究

基于疲劳损伤累积理论,提出一种预应力混凝土箱梁桥腹板疲劳寿命评估方法。首先,分析预应力混凝土箱梁桥腹板受力特性,建立腹板与顶板早期开裂及腹板疲劳破坏准则;然后,通过箱梁桥局部平面有限元模型计算横向效应下混凝土及箍筋应力,基于混凝土S-N曲线分析混凝土疲劳开裂,引入裂缝影响系数对箍筋应力进行修正,基于全桥杆系有限元模型及变角度桁架模型计算仅考虑面内剪力作用下箍筋应力,两者叠加得到空间效应下箍筋应力历程,以雨流计数法获取箍筋应力谱,并基于疲劳损伤累积理论对箍筋进行疲劳寿命评估;最后,对一实例分析,同时分析箱梁横向效应、裂缝深度等对箍筋应力及疲劳寿命的影响。结果表明:当裂缝深度达到腹板保护层厚度时,箱梁横向效应对桥梁腹板寿命影响较大,可使其发生疲劳破坏。     

U肋与横隔板焊接构造细节疲劳强度研究

为研究在车辆荷载反复作用下,正交异性钢桥面板U肋与横隔板焊缝构造细节处的疲劳强度是否满足疲劳设计要求,以九江长江公路大桥钢箱梁结构为研究对象,设计疲劳试样进行疲劳试验,得到了用于该构造细节处疲劳寿命评估的失效概率分别为50%及2.3%的应力幅~循环次数曲线,参照Eurocode 3规范,将疲劳曲线延长至长寿命区,提出适合该细节处的疲劳设计曲线及方程。依据实测车辆荷载谱及简化的有限元模型,选择合理的加载方式与荷载冲击系数,计算得到关注点的应力~时间历程曲线,并评估该构造细节的疲劳寿命。结果表明,在实测荷载谱作用下,该细节处最大应力幅值为24.49MPa,小于疲劳截止限,其疲劳强度满足疲劳设计要求。     

应力比对钢桥腹板间隙面外变形疲劳性能的影响试验

为研究应力比对钢桥面外变形疲劳性能的影响,通过足尺疲劳试验对不同应力比循环荷载作用下钢桥腹板间隙典型细节的疲劳裂纹萌生和扩展机理进行研究。采用5个足尺试件开展了疲劳试验,研究了40mm和60mm腹板间隙在不同应力比循环荷载作用下的裂纹萌生和扩展行为,分析了腹板间隙处腹板与竖向加劲肋焊趾细节应力随着循环荷载变化的规律,得到了应力比对该构造细节面外变形疲劳性能的影响。研究结果表明:腹板间隙处腹板与竖向加劲肋焊趾处面外变形疲劳性能受应力比影响较大,疲劳裂纹从焊趾处萌生后远离竖向加劲肋在腹板内扩展;腹板间隙为40mm、应力比小于0.3时,腹板与竖向加劲肋焊趾处的细节疲劳强度为AASHTO规范中D类和Eurocode规范中的71类;应力比大于0.3且小于0.5时,该细节的疲劳强度降为AASHTO规范中E′类和Eurocode规范中的45类;腹板间隙为60mm、应力比小于0.3时,腹板与竖向加劲肋焊趾处的细节疲劳强度为AASHTO规范中C类和Eurocode规范中的100类;应力比大于0.3且小于0.5时,该细节的疲劳强度降为AASHTO规范中D类和Eurocode规范中的80类;腹板与竖向加劲肋焊趾处疲劳裂纹的扩展速率在高应力比的循环荷载作用下较低应力比循环荷载作用下更快;细节疲劳强度随应力比的增加而显著降低,随腹板间隙的增大有一定程度的提高。     

基于车辆荷载数据的波形钢腹板PC梁桥细节疲劳寿命预测

波形钢腹板作为一种新型桥梁结构形式,在钢腹板与顶板衔接位置及波形钢腹板折线位置容易产生应力集中而出现疲劳失效。基于实测车辆荷载数据,在有限元软件ANSYS平台采用瞬态分析将荷载数据转换成疲劳应力效应。在此基础上,基于S-N曲线法对波形钢腹板结构的典型焊接点的疲劳寿命进行了预测。研究表明:典型货车车重服从多峰分布,波形钢腹板PC梁桥在波形折角位置、钢混连接孔位置和钢材焊缝位置处容易出现疲劳裂纹。在年交通增长率为5%的荷载作用下,头道河大桥细节1和细节2的疲劳寿命分别为143 a和295 a。     

预应力混凝土连续梁桥有限元数值模拟及设计探讨

通过有限元软件来模拟不同工况下预应力混凝土连续梁桥的疲劳特性。工况1为通过调查统计获得的桥梁运营中实际车辆荷载谱,工况2利用MATLAB生成服从正态分布的车辆荷载,利用ANSYS软件的后处理程序将服从正态分布荷载下的梁桥时间历程瞬态动力来判断梁桥的疲劳特性。研究结果表明:工况2下危险截面材料疲劳寿命低于工况1,危险部位损伤度符合正态分布;预应力混凝土连续梁桥跨中循环次数最多,该位置混凝土正截面承受最大的压应力,造成疲劳损伤最大,桥梁疲劳寿命周期主要取决于混凝土。基于正态分布下的随机车辆荷载谱在预应力混凝土连续梁桥的疲劳分析中更符合实际工况。     

基于有限元的复合钢混凝土桥梁热点应力分析

复合钢混凝土桥梁在其使用周期中受交通荷载影响产生显著动态影响,此时焊接接头是桥梁最薄弱部位之一。采用热点应力法(HSM),对考虑车速和路面粗糙度的焊接变形疲劳接头进行了疲劳寿命评估,用实体单元模拟焊接接头,建立三维动态车—桥互动模型。考虑桥式车辆与路面粗糙度动力相互作用,考虑全局和局部的应力和对疲劳寿命的高散射动态放大效应。局部方法表明,详细的局部应力定义是评估现有道路桥梁疲劳性能的基础。此外讨论了年交通量增长率对疲劳寿命的影响。     

铁路钢板梁桥疲劳及剩余寿命分析

在列车荷载作用下,铁路钢板梁桥的腹板间隙处因面外变形容易产生疲劳裂纹,影响桥梁使用安全与剩余疲劳寿命.对某铁路钢板梁桥采用ANSYS进行全桥仿真模拟,通过计算模型计算出关键部位在列车荷载下的应力历程,并与实测结果进行对比分析;并利用S～N曲线、线性累积损伤理论对各个测点的疲劳寿命进行评估.计算和分析结果表明,腹板间隙处...     

基于S-N曲线的钢桥疲劳寿命研究

针对我国《铁路桥梁钢结构设计规范》中关于钢桥疲劳寿命评估方法存在的不足,提出了考虑多车效应和冲击效应作用下疲劳车辆模型的确定方法。通过比较英国BS5400规范和美国AASHTO规范中关于S—N曲线的修正方法,得到了变幅疲劳荷载作用下S-N曲线的修正方法,并通过工程实例验证了在考虑多车效应和冲击效应作用时,采用该修正方法计算得出的疲劳寿命更加合理。     

重型汽车荷载作用下简支梁桥的动力反应分析

基于结构动力学理论,视桥梁与车辆为一个相互作用的整体系统,建立了桥梁在移动车辆荷载作用下振动的计算模式.在分析中,汽车采用2轴模型,桥梁结构模拟为梁单元,统一列出车桥系统的动力方程,编制了计算程序.对实际预应力混凝土简支箱梁桥在重型汽车作用下的动力冲击效应进行了计算,并与轻型汽车荷载作用下产生的动力冲击系数进行了比较.     

重型汽车荷载作用下简支梁桥的动力反应分析

基于结构动力学理论，视桥梁与车辆为一个相互作用的整体系统，建立了桥梁在移动车辆荷载作用下振动的计算模式。在分析中，汽车采用2轴模型，桥梁结构模拟为梁单元，统一列出车桥系统的动力方程，编制了计算程序。对实际预应力混凝土简支箱梁桥在重型汽车作用下的动力冲击效应进行了计算，并与轻型汽车荷载作用下产生的动力冲击系数进行了比较。     

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...     

多孔混凝土疲劳性能的研究

多孔混凝土作为路面的基层,和面层一起受到车辆荷载和温度的反复作用,结构设计中需考虑其疲劳性能。通过室内小梁弯拉疲劳试验,分析疲劳寿命试验数据的概率分布,得出多孔混凝土疲劳寿命服从双参数威布尔分布,以此建立了不同应力水平和等效应力水平下两种形式的疲劳方程;分析了疲劳寿命变异性的影响因素及减小变异性的相应措施,比较得出其疲劳性能优于半刚性基层材料。利用得出的疲劳方程,建立了以多孔混凝土作为水泥混凝土路面下面层荷载应力计算的疲劳应力系数,以及作为沥青路面基层时,进行层底弯拉应力验算的弯拉强度结构系数,可用于路面结构计算。     

基于元胞自动机的随机车流模拟与桥梁疲劳响应分析

为了研究类似云南省这样的高原山区低等级公路桥梁实际运营状态下的交通荷载特性及车辆荷载作用效应,首先,基于动态称重获得了云南某低等级公路桥梁的监测数据,得到了该区段车型、车重、车速、车长、轴距和轴重等数学模型。其次,基于传统的元胞自动机模型,对元胞长度、更新步长、换道、行驶的规则及其边界条件做进一步细化研究,提出了适用于山区低等级公路桥梁交通流模型的具体参数值,建立了精细化的元胞自动机模型。最后,根据影响线加载的方式,对该路段上某简支钢箱梁桥在随机车流模拟作用下的荷载效应进行了分析,并且利用雨流计数法整理得出了符合本地区实际交通状况作用下的应力幅和循环次数。结果表明:该元胞自动机模型可以较好地还原车型比例、车速、车长、车头时距等特征参数,模拟车流与实际交通状况吻合较好,从而验证了模型的准确性,该模拟方法可为同类问题提供参考依据。根据随机车流加载得到的车辆荷载效应,对比了《公路钢结构桥梁设计规范》、英国BS5400规范、美国AASHTO规范中的疲劳荷载计算模型作用下的应力幅值。实际交通模拟得到的应力幅值高于规范计算值,表明山区低等级公路由于交通管控不力,导致超载现象严重,桥梁的疲劳问题更加突出。     

基于热点应力法的钢管混凝土桁式拱桥节点疲劳评估

为准确预测钢管混凝土桁式拱桥节点疲劳寿命,提出一种基于热点应力的疲劳评估方法。该方法采用全桥多尺度三维有限元模型计算节点热点应力幅,并进行回归分析得到钢管混凝土节点的热点应力幅S～N曲线。基于该方法对一座已建成的钢管混凝土桁式拱桥进行节点疲劳评估。结果表明：疲劳易损部位位于1/4跨附近的拱肋上弦节点,起始裂纹位于节点主管表面的冠点处;采用《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)中的疲劳荷载计算模型Ⅱ和疲劳荷载谱计算得到的疲劳寿命分别为20 210 049次和27 311 265次,采用疲劳荷载谱计算时多车效应纵向修正为14.9%;采用《公路钢结构桥梁设计规范》预测的节点疲劳寿命偏低,导致设计偏于保守。     

波形钢腹板组合箱梁疲劳性能试验与理论分析

为了给波形钢腹板组合箱梁的疲劳设计和施工提供参考,制作了试验模型梁,并对其进行疲劳荷载试验,得到了这种结构的典型疲劳破坏特征。结合有限元分析,利用已有的研究资料,比较了波形钢腹板组合箱梁与波形钢腹板钢梁应力状态的相似性。采用断裂力学分析方法,对比有限元分析和模型梁试验结果,研究了波形钢腹板组合箱梁疲劳寿命的计算模式,进而推导出这种结构的S-N曲线。研究结果表明:对于波形钢腹板组合箱梁的疲劳设计,在有限疲劳寿命设计与计算中建议偏安全地采用美国规范AASHTO 2007提供的设计参考中的C类标准。     

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。     

中国公路车-桥耦合振动车辆模型研究（双语出版）

为了提出适用于中国车-桥耦合振动分析的车辆动力分析模型,首先基于中国桥梁规范中的设计车辆荷载,结合大量调查统计数据和等效静力分析方法,初步拟定车辆动力分析模型的几何尺寸、质量、刚度、阻尼等参数取值,并与国内外广泛采用的几种车辆模型的参数取值进行对比。接着选取4座钢筋混凝土简支梁桥并建立其三维有限元模型,基于车-桥耦合振动数值模拟分析车辆模型的刚度、阻尼等参数对桥梁上动力冲击系数的影响,并对比几个不同车辆模型对动力冲击系数的影响。最后,选择中国湖南省境内一座实桥和几辆不同轴数的重车开展实桥试验,将实测动力冲击系数与所提车辆模型数值模拟获得的冲击系数进行对比。结果表明：动力冲击系数随车辆总质量的增大而减小,随车辆整体刚度的增大而增大,但随车辆整体阻尼的增大呈先减小后增大的趋势;单个车轴的刚度和阻尼对动力冲击系数的影响不明显;车辆总质量是导致不同车辆模型作用下动力冲击系数差异的主要因素;数值模拟结果与实测结果吻合良好,验证了所提车辆模型及参数取值的合理性;该车辆模型可用于中国的设计车辆荷载作用下桥梁的动力响应分析和相关研究,也可用于估算重量相当的不同类型车辆对桥梁的动力冲击效应。     

中国公路车-桥耦合振动车辆模型研究

为了提出适用于中国车-桥耦合振动分析的车辆动力分析模型,首先基于中国桥梁规范中的设计车辆荷载,结合大量调查统计数据和等效静力分析方法,初步拟定车辆动力分析模型的几何尺寸、质量、刚度、阻尼等参数取值,并与国内外广泛采用的几种车辆模型的参数取值进行对比。接着选取4座钢筋混凝土简支梁桥并建立其三维有限元模型,基于车-桥耦合振动数值模拟分析车辆模型的刚度、阻尼等参数对桥梁上动力冲击系数的影响,并对比几个不同车辆模型对动力冲击系数的影响。最后,选择中国湖南省境内一座实桥和几辆不同轴数的重车开展实桥试验,将实测动力冲击系数与所提车辆模型数值模拟获得的冲击系数进行对比。结果表明:动力冲击系数随车辆总质量的增大而减小,随车辆整体刚度的增大而增大,但随车辆整体阻尼的增大呈先减小后增大的趋势;单个车轴的刚度和阻尼对动力冲击系数的影响不明显;车辆总质量是导致不同车辆模型作用下动力冲击系数差异的主要因素;数值模拟结果与实测结果吻合良好,验证了所提车辆模型及参数取值的合理性;该车辆模型可用于中国的设计车辆荷载作用下桥梁的动力响应分析和相关研究,也可用于估算重量相当的不同类型车辆对桥梁的动力冲击效应。     

基于实测车流的中小跨径桥梁车载动力效应极值研究

为评估现有车辆荷载作用下中小跨桥梁的安全水平,提出了车辆荷载冲击作用下桥梁效应极值外推方法。基于高速公路车辆动态称重数据,研究了简支T梁桥的车载动力效应极值,校验并评估了现有车辆荷载作用下中小跨桥梁的安全水平。研究结果表明:基于实测数据的随机车流模型融入了车辆的概率信息,为桥梁车载动力效应极值的概率外推提供了有利条件;欧洲与英国规范的设计车辆荷载效应的重现期远大于美国和中国设计规范;随着桥梁跨度的增加,欧洲与美国荷载模型的重现期随着桥梁跨度的增加而减小,英国荷载模型随桥梁跨度的增加呈先增加后减小的趋势,中国荷载模型的重现期随桥梁跨度增加而增加。