基于WIM数据的上海某大桥钢箱梁应力谱研究

斜拉桥以其自身的优点成为当今大跨度桥梁中的主流桥型,然而,投入使用一段时间后,由于运营车辆总重和交通量交替变化,钢桥所面临的疲劳问题正日趋严重.本文以上海某大桥为工程背景,利用动态称重系统采集到的车辆载荷相关数据,依据等效疲劳损伤原理,推导出代表实际运营车辆载荷谱,采用泄水法,建立南塔钢箱梁的细节应力谱,为上海某大桥疲劳损伤及寿命评估提供可靠依据.     

钢箱梁桥海量应变监测数据分析与 疲劳评估方法研究

海量监测数据的分析与应用是桥梁结构健康监测研究中的重要问题之一,以润扬大桥钢箱梁的长期应变监测数据为研究对象,研究了海量应变监测数据分析与疲劳评估方法。首先,基于Eurocode3规范的S-N曲线和Palmgren-Miner准则建立了焊缝疲劳损伤分析及寿命预测方法。其次,研究了应力循环的快速提取及应变数据中随机干扰成分的剔除方法。在此基础上,讨论了对公路钢箱梁桥开展长期持续疲劳监测的必要性,并给出了润扬大桥钢箱梁焊缝的疲劳寿命预测值。研究发现,采用MATLAB与C语言联合编程的雨流计数法可快速处理海量应变监测数据;根据对焊缝疲劳损伤的贡献可确定有效应力循环阀值,从而剔除由随机干扰引起的数量极多但幅值较小的应力循环;焊缝疲劳损伤在一年内会发生大幅度的变化,短期应变监测数据可能导致焊缝疲劳寿命评估值出现较大的偏差。     

钢箱梁桥焊接细节的疲劳断裂可靠性分析

联合线弹性断裂力学和长期监测数据提出了大跨桥梁焊接细节疲劳可靠度评估方法, 并以润扬大桥钢箱梁的焊接细节为对象开展了应用研究。首先, 采用长期监测数据建立了疲劳荷载效应的概率模型;其次, 推导了焊接细节疲劳断裂抗力的表达式, 分析了初始裂纹深度和极限裂纹深度对断裂抗力的影响规律, 采用随机数值模拟的方法得到了断裂抗力的概率模型;最后研究了交通荷载增长条件下焊接细节疲劳可靠度的时变规律。研究表明:断裂抗力服从对数正态分布, 且对初始裂纹深度极为敏感;当考虑交通荷载增长, 桥梁的服役期还未满设计基准期时, 焊接细节的可靠度就将低于目标可靠度水平。     

基于WIM数据的上海长江大桥钢箱梁的寿命评估

通过对上海长江大桥细节寿命的估算为大桥的维护和修复提供依据.基于论文"基于WIM数据的上海长江大桥钢箱梁应力谱研究"的研究结果,得到钢箱梁各细节的应力谱,同时参考英国桥梁规范BS5400第十部分,确定了能够体现细节疲劳性能的S-N曲线,并结合Miner疲劳累积损伤准则,对大桥钢箱梁细节寿命进行评估.研究结果表明,在现行日常运营过程中,钢箱梁各细节应力幅值较小,循环次数多,损伤量级很小,故细节不会发生疲劳破坏,即结构在现行运营期间保持了很高的安全性和可靠度.     

沥青混凝土路面新技术初探

随着交通量的不断增长和重载、超载车辆的日益增多,公路路面结构出现不同程度的破损,坑槽、剥落、开裂等现象不断涌现,原有路面结构面临着严峻的挑战,为了寻找新型耐久的路面结构,来改进、完善现有路面结构的不足。沥青混凝土路面新技术成了人们关注的焦点问题。     

某中承式钢管混凝土桁式拱肋节点疲劳开裂分析

为了分析某中承式钢管混凝土桁式拱肋节点疲劳开裂的原因,运用有限元软件MIDAS/CIVIL建立全桥模型进行有限元分析。分别研究了不同车辆荷载和不同拱肋节点几何参数情况下拱肋节点应力幅的变化,进而分析了车辆超载和车辆中、偏载布置对拱肋节点应力幅的影响,并讨论了拱肋节点几何参数变化对拱肋节点应力幅的影响。研究表明,当车辆荷载超载30%、50%、100%和150%时拱肋节点应力幅基本呈线性增大,应力幅最大值达155 MPa。BS5400疲劳车辆荷载作用下拱肋节点应力幅最大,中国550 k N车辆荷载偏载作用下拱肋节点应力幅为中载1.2倍。超载和偏载分别是造成该钢管混凝土桁式拱桥拱肋节点出现疲劳开裂和疲劳裂缝分布不对称的主要原因。节点应力幅随弦杆和腹杆间壁厚比的增大而减小,而随弦杆和腹杆间管径比、弦杆径厚比和腹杆径厚比的增大表现为先增大后减小的趋势。     

重载列车引起的大跨度斜拉桥拉索振动研究

采用子结构法研究了重载列车引起的大跨度铁路斜拉桥拉索非线性振动问题。首先基于线性桥梁空间有限元模型,采用车-桥耦合动力学理论计算得到斜拉索锚固点动力响应;然后将该动力响应作为斜拉索端部激励,采用自编的基于CR列式法(Co-rotational Formulation)的拉索非线性动力有限元程序,计算斜拉索非线性动力响应。以荆岳铁路洞庭湖三塔斜拉桥为例,开展了车致斜拉桥拉索振动分析,结果表明:在设计时速范围内,重载列车作用下,斜拉桥索端激励与拉索固有频率两者不存在明显的匹配关系,车致拉索振动响应为一个准静态过程;通过进一步对比不同计算方案,即车-桥耦合振动、移动轴重瞬态分析与移动轴重影响线加载对拉索响应的影响,发现对于大跨度铁路斜拉桥而言,由于车-桥耦合振动效应不显著,采用移动轴重影响线加载方法得到的拉索应力结果具有足够精度。     

岸桥起重机随机风振疲劳可靠性分析

基于时域方法研究岸桥起重机的风振疲劳可靠性问题。采用谐波叠加法给出了符合Davenport风速谱的多维脉动风速时间历程,基于Bernoulli方程得到相应的风压时间历程,并将相应的风压荷载作用于有限元模型,采用雨流计数法处理结构关键点的应力响应。基于疲劳失效的Basquin方程、Miner线性累积损伤准则和Goodman平均应力修正方程导出疲劳累积损伤的概率模型。考虑平均风速的概率分布,提出了基于概率累积损伤机制的风振疲劳可靠度和可靠性寿命计算方法,为岸桥起重机的风振疲劳可靠性分析作了一些有益的探索和研究。     

一般尺度法的振动疲劳强化系数分析

在Dirlik模型的基础之上,结合一般尺度法（General scaling law）提出适用于平稳宽带随机过程的疲劳强化系数模型。一般尺度法认为结构在原始载荷和强化后载荷下的应力响应功率谱各阶谱矩成简单的线性关系;与Dirlik宽带疲劳损伤模型结合,便得到适用于平稳宽带随机过程的疲劳强化系数模型。为了验证模型的有效性,分别在原始加速度功率谱和经一般尺度法强化后的加速度功率谱载荷下;对悬臂梁采用雨流计数(Rainflow counting)和Miner损伤准则进行疲劳寿命预测,得到它们的疲劳强化系数,并与疲劳强化系数模型得到的疲劳强化系数进行对比。结果表明：提出的疲劳强化系数模型精度为99.7 %,由此可验证疲劳强化系数模型的有效性。     

基于Copula函数的2.5MW风电齿轮箱齿轮可靠性分析

针对2.5 MW风电齿轮箱齿轮可靠性分析时,需考虑其接触疲劳和弯曲疲劳失效的相关性问题,根据风场长年监测数据,利用雨流计数法得到了其载荷谱,利用Romax Designer软件建立了2.5 MW风电齿轮箱的传动系统模型;利用其齿轮部件分析模块计算并统计得到了各齿轮的接触应力与弯曲应力分布;应用应力—强度干涉模型并基于Copula函数建立了考虑接触疲劳和弯曲疲劳相关性的齿轮疲劳可靠性计算模型;应用蒙特卡罗法对应力和疲劳强度抽样,并利用离差平方和最小值原理和MATLAB优化工具箱估计了Copula函数的参数,并计算出各齿轮的疲劳可靠度.研究结果为改进2.5 MW风电齿轮箱设计、提高其可靠性提供理论依据.     

Analysis of effect of overloaded vehicles on fatigue life of flexible pavements based on weigh in motion (WIM) data

Overloaded vehicles have a significant impact on pavement fatigue life and distress. As the studies show, the phenomena intensify when the control of traffic is poor. The paper presents the results of the research including analysis of weigh in motion data from eight stations and analysis of asphalt pavement fatigue caused by mixed traffic. Distributions of vehicles axles load including the multiple axles effects are presented. Mixed axle loads were transformed into equivalent number of standard 100 kN axle loads. The regression model of load equivalency factor depending on the axle load distribution and the percentage of overloaded vehicles is presented. The analysis of the effect of overloaded vehicles on decrease of fatigue life of a pavement structure is presented. The analysis has shown that the increase of percentage of overloaded vehicles from 0% to 20% can reduce the fatigue life of asphalt pavement upto 50%.     

西南山区高速公路桥梁标准疲劳车辆荷载研究

摘 要：疲劳车模型在桥梁疲劳评估中有着非常重要的作用,本文根据动态称重系统获得的车辆数据,并以等损伤度为理论基准,推导出适用于中国西南山区高速公路桥梁的3轴标准疲劳车模型。车辆统计数据和疲劳损伤度模拟计算表明,超过一半的疲劳损伤由6轴车引起,故根据统计数据以6轴车为原型设计出简化的3轴标准疲劳车模型,并根据Miner线性累积损伤法则,以实际车辆导致的损伤度为目标对疲劳车模型轴重和轴距进行修正。同时,本文针对西部山区高速公路桥梁提出两项建议：其一为基于弯矩概率函数曲线分析,建议最大应力幅峰值取为等效应力幅的3倍而不是AASHTO所规定的2倍,这主要由于该地区部分车辆超载较多所致;其二为BS5400疲劳车模型是实际车辆引起疲劳损伤的1.15倍从而高估了本地区的疲劳损伤,而AASHTO疲劳车引起的疲劳损伤与实际车辆导致的损伤也基本一致,故建议在西部山区高速公路疲劳车规范的选择时,宜选择AASHTO规范,但应根据实际通行车辆对疲劳车通行量进行修正。     

风、列车作用下斜拉桥索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响

以实际大跨度斜拉桥为研究对象,研究了随机风、列车作用下发生的索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响。使用编制的动力有限元计算程序,建立了大跨度铁路斜拉桥全桥3维精细有限元模型,计算了斜拉桥全桥在风、列车动力作用下的振动响应,分析了全桥索-梁相关振动的特性。建立了列车交通荷载概率模型,根据桥位处风速统计数据资料建立了桥梁的风荷载概率模型,对拉索的应力谱进行了计算。依据损伤理论,使用Monte-Carlo方法开展了拉索在风、列车动力作用下的疲劳可靠度分析。研究结果表明:在斜拉桥日常运营状态中,风、列车作用下索-梁相关振动不会导致拉索共振,索-梁相关振动是拉索疲劳可靠性下降的主要原因;对于拉索在长期动力荷载下的疲劳失效概率,风场作用占比很小,列车作用占比较大;各个拉索的成桥状态索力影响了列车作用下的拉索应力幅,进一步影响了斜拉桥在长期动力作用下拉索的疲劳可靠性。     

桥面典型车辆气动特性及车辆间挡风效应的数值模拟研究

强风不仅是大跨度桥梁设计的控制性因素,同时也会影响到桥上车辆运行的安全,车辆气动特性是研究车辆行驶安全性的前提。基于计算流体动力学（CFD）仿真平台,模拟计算了汽车工业研究协会（MIRA）小车和重型卡车典型车辆在横风作用下的气动特性,分析研究了典型车辆分别位于桥面上不同车道位置时车辆气动力系数随风偏角的变化情况;进一步模拟计算了重型卡车与小车之间的挡风效应,研究了车辆间相对位置对车辆挡风效应的影响。计算结果表明:不同车型以及不同的桥梁车道位置对车辆气动力均有不同程度的影响;重型卡车对MIRA小车有明显的挡风效应,MIRA小车气动力随着车辆间相对位置变化显著,重型卡车气动力也有一定改变。     

考虑车桥耦合效应的大跨悬索桥钢-混组合梁疲劳损伤评估

为了研究不同疲劳车辆荷载作用下大跨度悬索桥钢-混组合梁的疲劳寿命,以及在考虑车桥耦合效应变化时运营期内钢-混组合梁疲劳损伤累积变化规律,以某主跨720 m的悬索桥为例进行了分析。基于局部梁段有限元模型静力分析确定了疲劳细节关注点,得出相应的应力集中系数;利用P-M及CDM两种评估模型对疲劳荷载模型Ⅲ、AASHTO规范标准疲劳车及河北省疲劳荷载谱三类疲劳车辆荷载作用下的疲劳损伤度及疲劳寿命进行了评估;考虑车桥耦合动力效应分析了车辆载重量、行车速度、桥面铺装恶化及未来交通量增长对结构运营期内的疲劳损伤累积的影响。结果表明,该类钢-混组合梁悬索桥疲劳状态评估最不利梁段为1/8跨处,易发生疲劳破坏的节点为靠近吊点位置的主梁顶板与腹板连接处。疲劳荷载模型Ⅲ与当地疲劳荷载谱作用下的疲劳损伤量比较接近,AASHTO疲劳车作用下的损伤累积量明显低于另外两类。不同部位疲劳细节关注点的累积损伤量变化趋势与速度的关系不太明确,行车载重量、交通量增长以及桥面铺装恶化均加速疲劳损伤累积的增长。     

基于健康监测系统的大跨多荷载桥梁的 疲劳可靠度评估

考虑到火车、汽车与风荷载的长期作用以及多荷载的随机性,评估大跨多荷载桥梁的疲劳可靠度是一项富有挑战的任务。该研究基于健康监测系统提出了大跨多荷载悬索桥的疲劳可靠度分析框架,并应用到香港青马大桥。首先,定义了疲劳可靠度的极限状态函数,基于监测数据建立火车、汽车与风荷载的概率模型。基于概率模型和蒙特卡洛模拟方法,利用疲劳关键位置上多荷载的每日随机应力响应,估计每日应力幅m次方之和的概率分布。假设交通保持不变,可确定在给定时段内应力幅m次方之和的概率分布。最终得到桥梁不同疲劳关键位置不同时间点的疲劳失效概率。结果表明,在目前的交通状态下,青马大桥的疲劳健康状况可保持良好。     

正交异性钢桥面疲劳开裂研究

正交异性钢桥面板的钢结构桥梁在车辆荷载作用下易出现疲劳开裂,为了解决这一问题,该文采用在正交异性钢桥面板上设置薄层RPC(Reactive-Powder-Concrete)超高性能混凝土层,将钢桥面转变成组合桥面,从而提高了桥面刚度,能有效改善结构受力状态,且不会增加桥梁上恒载重量。通过对某大桥的计算分析表明:采用组合桥面后,车辆荷载作用下的钢桥面应力大幅度下降。钢桥面疲劳敏感点处的拉应力降幅达到71.32%~72.39%,大幅度的提高了钢桥面的抗疲劳寿命;薄层RPC面板的高强度和高韧性,完全能满足组合桥面的最大拉应力10.08MPa的强度要求,成为钢桥面上的永久结构层,可以大幅度降低钢桥面板的开裂风险。     

The effect of overloading sequences on landing gear fatigue damage

In service, landing gear can be subject to unexpected hard landing load, which is beyond the design domain. The consequences due to overload can affect the design life of a landing gear to some extent. In this paper, the effect of overload and different loading sequences in random spectra on fatigue damage are investigated, using strain–life based fatigue analysis methods. The discussions are emphasised on the effect of loading sequences on residual stress and mean stress, especially the effect of overload on the fatigue damage of subsequent cycles. In addition, different fatigue analysis techniques in commercial fatigue analysis packages are reviewed and compared. The analysis indicates that the overload effect is stress state dependent and dominated by local residual and mean stress. A ‘Begin’ overload in a load spectrum would cause more damage in the local compressive yield area and an ‘End’ overload within a spectrum will worsen the tensile yielding area. It is suggested that the load sequence effect should be considered in common fatigue analysis if local yielding would exist before or after overloading.     

考虑变量相关性的正交异性板细节疲劳可靠性评估

传统的疲劳可靠性评估方法忽略了功能函数中变量的相关性,致使计算得到疲劳可靠度指标精度降低。针对这一问题,基于既有悬索桥主梁细节应变和环境温度大样本监测数据,讨论疲劳功能函数变量之间的相关性关系。提出基于Copula函数的相关性变量的联合分布模型,解决联合概率分布建模中多重积分求解困难的问题。研究表明,受环境温度的影响,靠近顶板焊接细节的日等效应力幅和应力循环次数存在较强的相关性,Gaussian Copula函数可作为相关性变量的最优连接函数,对于U肋-顶板细节,桥梁结构服役100年时,考虑与不考虑变量相关性的可靠度指标值分别5.3和6.9,两者之间相差约1.3倍。当年交通增长率分别等于3%和5%时,可靠度指标在服役年限为94.6年和67.1年时间到达目标可靠度指标。对于U肋-U肋对接细节,考虑和不考虑变量的相关性对可靠性指标影响相对顶板细节较小。     

Fatigue crack growth simulation of aluminium alloy under spectrum loadings

Fatigue crack growth in structure components, which is subjected to variable amplitude loading, is a very complex subject. Studying of fatigue crack growth rate and fatigue life calculation under spectrum loading is vital in life prediction of engineering structures at higher reliability. The main aim of this paper is to address how to characterize the load sequence effects in fatigue crack propagation under variable amplitude loading. Thus, a fatigue life under various load spectra, which was predicted, based on the Austen, Forman and NASGRO models. The findings were then compared to the similar results using FASTRAN and AFGROW codes. These models are validated with the literature-based fatigue crack growth test data in 2024-T3 Aluminium alloys under various overload, underload, and spectrum loadings. With the consideration of the load cycle interactions, finally, the results show a good agreement in the behaviour with small differences in fatigue life compare to the test data.