以疲劳评估为目标的大跨钢箱梁桥车桥耦合动力分析方法

以润扬长江公路大桥北汊斜拉桥为工程背景,基于有限元软件ANSYS和数值计算软件MATLAB研究了以疲劳评估为目标的大跨钢箱梁桥车桥耦合动力分析方法中的一系列技术问题,包括以疲劳分析为目标的车桥耦合振动模型的建模方法和动应力分析方法、基于车桥耦合动应力的桥梁疲劳状态评估方法、不同桥梁应力分析方法的比较,以及路面不平度对桥梁疲劳状态的影响。研究结果表明,以疲劳评估为目标的桥梁车桥耦合动力分析方法能够有效地应用于大跨钢箱梁桥的疲劳状态评估,满足结构局部疲劳损伤累积仿真计算的需要。通过分别对不同应力计算方法下以及不同路面不平度下的桥梁动应力响应的对比分析,表明车辆载荷对桥梁作用的影响是局部的,对局部的桥梁疲劳累积有显著影响,在桥梁疲劳状态评估中采用车桥耦合动力分析方法能得到更为准确的结果。     

基于车桥耦合随机振动分析的钢桥疲劳可靠度评估

发展了一种基于车桥耦合系统随机振动分析的铁路钢桥疲劳可靠度评估方法,建立车桥耦合系统模型,选取车速和轨道不平顺作为基本随机变量进行随机振动分析,以此确定桥梁构件等效疲劳应力幅及其循环次数的概率模型。在此基础上,建立基于S-N曲线法的疲劳极限状态函数并进行疲劳可靠度分析。以一座铁路下承式钢桁梁桥为例进行了疲劳可靠度评估,并讨论了车速及轨道平顺性对构件疲劳可靠性的影响。结果表明：该文方法可有效用于铁路钢桥疲劳可靠度评估;受车速及轨道不平顺随机性的影响,列车引起的桥梁构件等效疲劳应力幅及其循环次数均具有一定的不确定性,应视为随机变量,二者可采用对数正态分布表示;车速和轨道不平顺可显著影响桥梁构件的疲劳可靠性,疲劳关键构件的可靠度指标随着轨道平顺性增强而提高。     

钢-混凝土组合梁疲劳性能研究综述

钢-混凝土组合梁的疲劳问题已经开始引起人们的重视,但到目前为止我国在钢-混凝土组合梁疲劳方面的研究工作仍然较少,为给钢-混凝土组合梁的疲劳性能研究工作和疲劳设计提供参考和依据,该文对国内外有关钢-混凝土组合梁疲劳的试验研究、计算方法以及相应规范进行了综述和分析评价,论述了组合梁的疲劳破坏形态和影响因素。基于搜集到的国内外大量栓钉疲劳试验数据,对各国规范组合梁疲劳问题的规定进行了分析总结。该文的研究工作可供在进行组合梁疲劳方面的试验研究、设计和制订规范时借鉴和参考。     

BFRP筋钢-混组合梁高温后力学性能试验

设计了常温(25℃)、200℃、400℃和600℃四个工况,通过模型试验方法探究了玄武岩纤维增强树脂复合材料(Basalt fiber reinforced polymer,BFRP)筋钢-混组合梁高温后的破坏形态和力学性能。通过分析试验梁裂缝开展、挠度变形、温度场和破坏过程规律,研究BFRP筋和普通钢筋钢-混组合梁的破坏模式和承载能力。结果表明：经历400℃高温后,BFRP筋劣化导致力学性能大幅降低;筋体膨胀导致混凝土板开裂,其裂缝开展与普通钢筋钢-混组合梁显著不同,主裂缝沿横向筋材规律开展,且裂缝较宽。温度低于400℃时,由于混凝土的包裹,BFRP筋未达到劣化温度,两种钢-混组合梁承载能力和外观差别较小;600℃后,BFRP筋劣化,削弱了混凝土板刚度和强度,导致BFRP筋钢-混组合梁承载能力比普通钢筋钢-混组合梁降低更多;BFRP筋钢-混组合梁因整体刚度较小,加载后变形更大。高温后两种钢-混组合梁破坏模式相似,均为剪切破坏,有明显弹性、弹塑性和破坏阶段;600℃时,两种钢-混组合梁延性大幅降低,塑性变形减少,破坏较为突然。研究成果可为BFRP筋在钢-混组合梁中的应用提供参考。     

考虑滑移效应的钢-混凝土组合梁弹性应力计算

为了分析存在滑移效应时钢-混凝土组合梁的截面应力,在假定截面总弯矩由整体弯矩和局部弯矩组成的基础上,建立了考虑界面滑移效应的钢-混凝土组合梁截面整体弯矩、局部弯矩、截面弹性应力和屈服弯矩的计算模型,给出了组合梁的截面弹性应力和屈服弯矩计算公式;对比试验数值,模型计算得到的截面屈服弯矩较试验值低且有较好的计算精度,为组合梁截面应力和屈服弯矩的计算提供了一种简便、可行的计算方法。     

基于能量法分析考虑纵向刚度分布的钢-混组合梁自振特性

对于考虑剪力键纵向分布不均匀或梁体变截面的钢-混组合梁,为了分析其自振特性,基于Hamilton原理并利用分区变分法,建立了考虑相对滑移影响的钢-混组合梁运动控制微分方程.给出了简支-简支、固支-自由、固支-简支和固支-固支等四种常见边界条件下自振特性的计算方法.以两孔考虑纵向刚度分布的钢-混组合梁为例,计算了其基频和...     

考虑多组件疲劳损伤的组合梁剩余承载力计算方法及试验验证

针对现行规范中无法计算钢-混凝土组合梁在疲劳后的剩余承载力问题,提出考虑多组件疲劳损伤的组合梁剩余承载力的计算方法。基于材料剩余强度理论,分别引入组合梁各组件（混凝土板、钢梁和栓钉连接件）在疲劳荷载作用下的强度衰减模型;对疲劳荷载作用下的组合梁进行受力分析,得到在既定疲劳荷载幅值下各组件的疲劳应力幅;将各组件的疲劳损伤计入钢-混凝土组合梁剩余抗弯承载力计算中,并考虑疲劳加载过程中组合梁抗剪连接度的变化,建立完全抗剪连接和部分抗剪连接两种情形下的组合梁剩余承载力计算方法,并通过6个试验梁的剩余承载力试验进行验证。研究结果表明：在疲劳荷载作用下,组合梁的抗剪连接度逐渐降低,剩余承载力退化明显且不可忽略。该文建立的组合梁剩余承载力计算方法的计算值与试验值吻合较好,具有良好的计算精度与适用性,补充并完善了现有组合梁承载力的计算方法。     

焊接钢吊车梁的疲劳损伤评估

通过对在役焊接钢吊车梁疲劳损伤的调查研究,提出了一种钢吊车梁的疲劳损伤评估模型,探讨了损伤度与可靠度的关系。     

钢-混凝土组合梁考虑剪力滞效应实用设计方法

钢-混凝土组合梁翼板剪力滞效应对组合梁截面应力和变形产生重要影响。基于组合梁弹性理论分析模型，忽略界面滑移效应，推导了简支和悬臂组合梁在均布和集中荷载作用下的应力和变形解析解。通过引入翼板有效宽度和截面有效刚度的两种简化设计方法分别考虑翼板剪力滞效应对组合梁截面应力和变形的影响。用该文提出的简化设计方法计算考虑剪力滞效...     

考虑剪切变形的连续钢-混组合梁动力特性分析EI北大核心CSCD

考虑剪切变形和剪切滑移的影响,提出了一种适用于分析连续钢-混组合梁(steel-concrete composite continuous beams, SCCCBs)动力特性的理论模型。把连续钢-混组合梁的n-1个中间支撑代替为未知反力Ri(i=n-1),从而连续组合梁的动力学问题退化为承受未知荷载的简支组合梁动力学问题。通过Laplace变换和逆变换,得到包含未知反力的振型函数。代入梁端和中间支撑边界条件,即可获得关于n-1个未知反力的线性方程组,由其系数矩阵行列式不为0即可求得自振频率。模型中把混凝土子梁和钢梁分别按照独立的Timoshenko梁单元考虑,相比于子梁同剪切转角假设模型和不考虑剪切变形的模型,具有更高的计算精度。最后,分析了剪切变形、边中跨比和跨高比等因素对连续钢-混组合梁自振特性的影响。结果表明:该理论计算结果具有更高的计算精度;当L/(nh)>10时,可忽略剪切变形对连续钢-混组合梁自振频率的影响。     

在役大跨径曲弦桁梁桥车桥耦合振动分析EI北大核心CSCD

为研究在役曲弦桁梁桥的动力性能和车桥振动响应,基于考虑跳车脱空时段的车桥耦合振动分析方法,进行在役曲弦桁梁桥车桥耦合振动分析。以122 m跨径彩虹桥为计算示例,建立桥梁有限元模型,分析桥梁动力特性,并计算空间车队过桥动力响应,探讨车速、车辆数量、车队分布及路面不平度等因素对在役曲弦桁梁桥动力响应的影响。结果表明:桥面系竖向刚度相对较弱,桥面局部振动易被激发;桥面竖向振动及各动力响应随着汽车数量、布载车道数量增加而显著增大;桥梁下弦跨中位移冲击系数超过规范设计值,桥面振动程度较大;车辆中、后轮易发生跳车,路面等级越高,发生脱空次数越多,在路面等级良好状态下汽车也会出现跳车现象。     

铁路新型钢-混凝土组合桁架桥在列车作用下的动力响应分析

对一种由三角形桁架和混凝土槽形板组成的铁路新型钢－混凝土组合桁架桥建立了车－桥动力相互作用空间分析模型,它由车辆模型和有限元桥梁模型组合而成,以轨道不平顺作为系统的自激激励源。以西安－平凉铁路上的马屋泾河特大桥主桥为工程背景,对这种新型钢-混组合结构的车桥耦合振动进行了动力仿真分析。对桥梁在重载货车、中速客车、高速客车等不同列车荷载工况下的动力响应进行了数值计算,并对桥上车辆的走行性能进行了评价。计算结果表明：该桥式方案能够满足三种类型列车在不同等级车速范围内安全、舒适的运行,可广泛用于我国货运、普通客运及高速铁路     

A coupled creep damage evolution model and creep life evaluation

Due to the damage accumulation during creep deformation, creep failure after a certain service time is the most important failure mode for metal structures working at high temperatures. Considering the coupled damage evolution of geometric and material’s damage, a creep life evaluation method based on continuum damage mechanics has been proposed and examined. It is found that the geometric damage evolution model can be deduced theoretically from the creep constitutive equation, while the material’s damage evolution can be assumed in the same way as that for static fatigue problems. Through solving the coupled damage evolution models, creep lives under various stress levels and temperatures can be evaluated in a unified way, just by several material constants which can be determined by some creep tests only.     

复合材料层合梁接触损伤问题的分析

将连续介质损伤力学的分析计算方法与层合梁无损伤接触问题的分析相结合, 分析层合梁在接触载荷作用下, 层间胶层的损伤分布及应力分布。采用逆解法得到复合材料层合梁无损伤接触问题的解答, 在此基础上, 用附加载荷法与迭代法, 进行接触损伤分析, 得到了层间胶层的损伤分布及应力分布。计算结果显示, 该方法收敛性好, 求解简单。      

大跨悬索桥结构损伤预警系统的设计与实现研究

在大跨悬索桥结构损伤预警方法研究的基础上,详细研究了润扬大桥悬索桥结构损伤预警系统的设计与实现方法。结构损伤预警系统采用基于“环境条件归一化”模态频率和小波包能量谱的损伤预警方法,并采用两阶段设计方法分别完成在线损伤预警分析和离线损伤预警分析。采用Client/Server和扩展Browser/Server两种系统模式相结合的形式将损伤预警系统与结构健康监测其他子系统相互结合,并采用LabVIEW软件编制了润扬大桥悬索桥结构损伤预警系统软件。该软件的主要功能包括在线模态频率识别和小波包能量谱识别模块：结构损伤预警参数与环境因素之间的相关性分析与统计建模模块;结构异常状态监测与预警分析模块。     

地震作用下千米级高速铁路悬索桥行车安全性研究

为研究地震作用下超大跨铁路悬索桥桥上列车的行车安全问题,以某主跨为1 120 m的公铁两用悬索桥方案为研究对象,采用虚拟横梁法建立了全桥梁格模型,并通过板梁组合模型验证了梁格模型的正确性。在此基础上,通过输入7条地震波,采用自主编制的列车-轨道-桥梁-地震分析程序TTBSAS进行仿真计算,研究了一致激励、行波激励下悬索桥-列车系统的动力响应特征,分析了列车过桥时的行车安全性。结果表明:对于悬索桥-列车系统,地震对桥梁和轨道动力响应的影响大于车辆;横向地震除了使钢桁梁主梁及桥上轨道发生大幅横向振动外,还会诱发主梁的附加扭转振动;不考虑地震行波效应会严重低估列车的行车安全性指标。对于这些计算条件,桥上列车行车安全性研究的最不利行波波速为500 m/s,在0.15g设计地震作用下列车通过主跨1 120 m悬索桥时的安全车速阈值为300 km/h。     

钢板混凝土复合梁在爆炸荷载作用下的损伤评估研究

为满足钢板混凝土复合梁爆炸损伤评估的实际需要,完成了钢板混凝土复合梁与钢筋混凝土梁承载性能的比较试验,研究了两种梁的承载性能与破坏特点,获得了二者的抗力试验曲线、抗弯变形限值及抗力函数。基于钢板混凝土复合梁的等效单自由度运动方程,采用数值求解方法,得出了评估其在爆炸荷载作用下破坏状态的超压-冲量（P-I）等损伤曲线。研究结果表明：钢板混凝土复合梁的承载力、变形限值、临界超压以及临界冲量比钢筋混凝土梁的都要高,前者的抗爆性能更好。     

循环荷载作用下钢桥面铺装疲劳损伤失效行为研究

针对钢桥面铺装工程中普遍采用的改性沥青(Stone Matrix Asphalt,SMA)、浇筑式沥青(Guss asphalt,GA)、环氧沥青(Epoxy asphalt,EP)混合料双层铺装结构,进行了循环车载作用下钢桥面与沥青混凝土铺装疲劳损伤特性理论分析与试验研究。基于疲劳损伤度,研究了钢桥面铺装疲劳损伤失效行为和疲劳开裂过程中损伤场、应力和应变场动态演变机制,推导出疲劳失效时的损伤场、应力和应变场计算表达式,并给出钢桥面铺装疲劳寿命理论公式。以三座钢箱梁桥桥面铺装(润扬长江大桥2005,南京长江三桥2005,苏通大桥2008)为例,对不同铺装结构组合方案下的复合梁进行疲劳试验分析和使用寿命理论预测。实例研究结果表明,钢桥面铺装疲劳损伤失效行为预估模型合理可行;相较于改性沥青、浇筑式沥青,环氧沥青混合料具有较强高的强度低变形能力,更适合于大跨径钢桥面铺装抗疲劳的设计要求;由环氧沥青混合料组合而成的“双层环氧沥青混凝土”和“浇注式沥青混凝土(下层)+环氧沥青混凝土(上层)”的抗疲劳性能优于其它沥青混合料铺装结构组合方案,同等厚度组合情况下疲劳使用寿命可延长1倍~2倍以上;“双层环氧沥青混凝土”已应用于润扬长江大桥、南京长江三桥和苏通长江大桥钢桥面工程,并已成功运行10年以上,其跟踪观测结果良好。     

随机车辆荷载下三塔悬索桥钢箱梁疲劳关键断面分析

泰州大桥为世界首座千米级三塔悬索桥,建立泰州大桥的三维全桥模型,通过简化的车辆荷载模型,将随机车流加载于大桥有限元模型上,计算泰州大桥主梁不同位置竖向位移和弯矩的振动响应值,分析车流作用下大桥主梁应力变化最大位置,从而确定主梁的疲劳分析的关键位置。     

钢-混凝土组合框架子结构动态倒塌性能试验研究

为了研究中柱失效后钢-混凝土组合框架结构的动态倒塌性能,对2个1/3缩尺的组合框架子结构试件进行了抽柱试验研究。研究结果表明:当在组合框架梁上分别悬挂30 kN和60 kN的配重时,2个试件在中柱处的最大动态位移至少为振动停止后静态位移的1.34倍;在中柱抽除后,剩余结构仍处于弹性受力阶段且阻尼比较小;采用栓钉抗剪连接件的组合框架梁具有较大的加速度响应和动态位移响应;组合梁中采用开孔板连接件的框架子结构具有较好的整体刚度,其受倒塌荷载动力冲击作用的影响相对较小;随着中柱竖向位移的增加,组合框架倒塌荷载动力增大系数(DIF)呈现两阶段的变化规律。基于试验研究,建立了组合框架倒塌荷载DIF的数学计算模型。该研究成果可为钢-混凝土组合框架结构的倒塌性能分析提供参考。