基于车辆荷载模型的斜拉索索力随机模拟及疲劳分析

为了满足斜拉索状态评估和养护管理的需求,提出基于车辆荷载模型的斜拉索疲劳寿命分析方法。以桥梁收费站的静态称重数据和桥面监控资料为依据,采用极大似然估计和最大期望(EM)算法,建立了12类车型及车重、轴重、车速等相关参数的车辆荷载统计模型。基于Monte-Carlo方法、泊松过程理论和车辆跟驰模型,编写计算程序进行随机车流仿真分析,随机生成车辆荷载的作用位置和大小,并在影响线上加载得到活载索力时程,将其与长期监测系统得到的实测活载索力时程进行对比分析,验证了该模型的有效性。然后,考虑车辆荷载模型的长期趋势,结合腐蚀斜拉索的应力-疲劳寿命(S-N)曲线和Miner线性累积损伤理论,分别对未腐蚀和腐蚀2种情况的斜拉索长期性能进行了分析与预测。研究结果表明:各车型质量统计数据呈现多峰分布特征,建立随机车辆荷载模型时,宜采用混合分布模型,并考虑车重与轴重之间的相关性;建立的随机车流仿真模型计算得到的活载索力与实测活载索力具有较高的相似度,相对熵(KL)散度在0.1左右,证明该模型能较为准确地模拟实际的交通荷载流,可用于进一步的分析和预测;腐蚀是影响斜拉索疲劳寿命的重要因素,根据试验桥的分析结果,未腐蚀的斜拉索基本不存在疲劳问题,但腐蚀使斜拉索的疲劳寿命迅速降低,甚至会发生早期断裂。     

钢桥面板U肋与盖板焊缝构造细节疲劳性能评估

为了评估正交异性钢桥面板U肋与盖板焊缝构造细节的疲劳性能,以九江长江公路大桥钢箱梁实际结构为研究对象,设计疲劳试样进行疲劳试验,得到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Δσ-N(应力幅-循环次数)曲线,参照欧州EC.3规范规定,将所得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其方程。依据实测车辆荷载谱及简化的钢桥有限元模型,选择合理的加载方式与荷载冲击系数,计算得到构造细节疲劳关注点的应力-时间历程曲线及名义应力谱,并对该构造细节的疲劳寿命进行评估。研究结果表明:在实测车辆荷载谱作用下,该构造细节处最大应力幅为45.39MPa,小于疲劳截止限,该细部构造满足疲劳设计要求;研究成果可为公路大桥维修保养和健康监控等提供参考依据。     

腐蚀对风车联合作用下斜拉桥拉索 疲劳可靠性的影响分析

为探讨腐蚀对随机交通和风载联合作用下斜拉索疲劳可靠性的影响规律和机理,通过拉索高强钢丝的加速腐蚀和疲劳试验,提出了考虑腐蚀的斜拉索疲劳抗力模型;基于线性累积损伤准则,建立了考虑腐蚀影响的风车联合作用下拉索疲劳可靠性的分析方法和流程;依托工程实例,分析了腐蚀等级和时变腐蚀对拉索疲劳可靠性的影响.结果表明:随腐蚀加剧拉索动态疲劳可靠指标下降速率增大;等级达到Ⅲ级及以上的腐蚀对拉索疲劳可靠寿命影响显著,尤其对于靠近桥塔及辅助墩处拉索;Ⅳ级和Ⅴ级腐蚀时拉索疲劳寿命相对无腐蚀状况降幅最大分别达24%和44%;相对完好状况,时变腐蚀影响下拉索的动态疲劳可靠指标下降更为迅速,且降幅明显大于仅考虑腐蚀分级的状况.     

矮塔混凝土斜拉桥成桥索力优化

针对矮塔混凝土斜拉桥结构受力特点,推导出了在恒载、车辆荷载、温度作用下整体弯曲能量表达式,以结构整体弯曲变形能最小为目标,主梁主塔单元弯矩和轴力为约束条件,应用MIDAS/CIVIL 2010的未知荷载系数模块进行了最不利荷载组合作用下矮塔混凝土斜拉桥成桥索力优化计算分析.讨论了车辆荷载和温度作用对矮塔斜拉桥成桥索力优化结果及大桥结构内力分布的影响,研究结果表明,车辆荷载和温度作用对拉索索力、主梁弯矩等力学参数的影响较大,在进行成桥索力优化时应该考虑车辆荷载和温度作用.     

基于裂纹扩展的锈蚀拉索疲劳寿命评估

将平行钢丝索视为一个多裂纹竞争的串-并联模型,通过点蚀不均匀系数确定锈蚀钢丝的初始裂纹尺寸. 基于疲劳裂纹扩展速率模型各参数的概率分布,采用疲劳失效全过程Monte-Carlo模拟法计算了不同断丝率下拉索的疲劳寿命,并通过试验数据对计算结果进行了验证. 结果表明：拉索断丝率随疲劳次数增加符合幂级数的增长规律,当拉索的断丝率达到10%之后,拉索的断丝率迅速增长而失去抵抗疲劳荷载的能力. 纤维束模型中串联钢丝单元划分越多,拉索的疲劳寿命越短,但这种趋势会随着钢丝单元数的增加而逐渐趋于稳定. 锈蚀拉索的疲劳寿命服从Weibull分布,点蚀效应缩短了钢丝裂纹萌生寿命,随锈蚀程度的增加,拉索疲劳寿命均值大幅下降,变异性减小,其抗疲劳性能快速劣化. 通过雨流计数法将随机荷载历程转化为疲劳荷载谱块的重复作用,基于钢丝的腐蚀发展规律计算了不同腐蚀程度拉索的疲劳寿命,建立了随机荷载作用下拉索腐蚀程度与疲劳寿命劣化之间的关系模型. 根据P-dc-N曲线可对锈蚀拉索服役期的疲劳可靠性进行评估,应用时需要准确掌握拉索钢丝的缺陷或腐蚀细节信息.     

基于WIM数据的钢箱梁斜拉桥疲劳荷载谱分析及寿命预测研究

由于钢桥面板的疲劳损伤主要来源于车辆荷载的反复作用,因此,为了预测钢箱梁斜拉桥的寿命,需要对其在重载交通流量下的疲劳荷载谱进行研究.该文以某大跨度钢箱梁斜拉桥为背景,基于桥梁健康监测系统中的WIM模块采集得到一定时段的车重、轴数、轴距等车辆荷载参数,采用统计分析方法对其进行批量化处理分析,得到了等效模型车的疲劳荷载谱.以此为基础,选取了钢箱梁斜拉桥易发生疲劳损伤的U型肋、盖板、横隔梁等重点部位进行疲劳寿命分析,分析结果表明:各重点部位尚未产生过大损伤疲劳.     

槽型断面梁斜拉桥塔梁墩固结区受力特性研究

为增大桥梁纵向刚度、便于转体施工,沪昆客运专线上某(32+80+112)m槽型截面独塔斜拉桥将槽型梁两边箱插入塔柱中形成塔梁墩固结体系,其构造和受力情况极为复杂.为研究该桥塔梁墩固结区域的应力分布情况,采用大型通用有限元软件ANSYS建立塔梁墩固结区局部模型并验证模型正确性.在此基础上,分析固结区域结构传力路径和应力分布规律,探讨局部设计细节对固结区应力的影响.研究表明:塔梁墩固结区内整体应力水平低于固结区范围以外截面,但在槽型梁过渡至固结区内部的交接角以及固结区内部过人洞折角等处存在应力集中现象.通过改进结构设计细节可有效缓解各处的应力集中现象.     

斜拉索在随机风-车-覆冰联合作用下的疲劳可靠度分析

为了分析随机风-车荷载及覆冰联合作用下的斜拉索的疲劳可靠度,以武汉天兴洲长江大桥为工程背景进行研究。首先,根据Monte Carlo法组成随机车队,模拟随机车辆荷载谱,将车辆模型转化为节点动力荷载输入斜拉桥模型中,通过谐波叠加法生成风速时程,将风荷载引起的静风力、抖振力、气动自激力施加到斜拉桥模型中;然后,依据横风向驰振理论,考虑扇形索覆冰引起的自激振动影响,采用Fluent软件模拟拉索在覆冰状态下的升力系数,求出30°风攻角下的升力并施加到拉索上,将拉索计算出的时程力施加到对应的主梁模拟点上;最后,基于累积损伤理论,分别对斜拉桥在单一车荷载、风-车荷载联合作用及风-车-覆冰联合作用下拉索的疲劳可靠度进行分析,得到拉索的疲劳可靠度指标。研究结果表明:风-车荷载联合作用下拉索的疲劳可靠度指标明显低于单一随机车荷载作用下的疲劳可靠度指标,最短索的疲劳可靠度指标降低了约21%;覆冰会降低拉索的疲劳可靠度指标,但其降低幅度不大,考虑到覆冰作用引起的最大索力大于其他2种工况的最大索力,其影响不能忽略;风荷载对拉索的疲劳可靠度影响显著,且随着拉索长度增大,影响也逐渐增大。该方法主要是将荷载以节点动力荷载的形式施加到桥面模拟点上,因此该方法同样适用于其他桥梁的疲劳可靠度分析。     

超大跨径斜拉桥斜拉索局部振动对地震反应的影响

在以往的斜拉桥地震反应分析中,大都采用单桁架(SECS)模型来模拟斜拉索,不能反映斜拉索的局部振动的影响.以世界第一跨度斜拉桥——苏通大桥为背景,采用多桁架(MECS)模型来分析斜拉索局部振动对超大跨度斜拉桥地震反应的影响,并探讨了斜拉索的合理单元划分方式.结果表明,斜拉索划分为10个单元已能够很好地反映斜拉索局部振动的影响.考虑斜拉索局部振动之后,会出现索梁耦合振型,减小一些振型的参与系数,基频与主梁的竖向振动相近的斜拉索在地震作用下大幅振动,而主梁和主塔的内力反应普遍减小,特别是主塔的地震轴力明显减小.     

锈蚀疲劳耦合作用下的斜拉索钢绞线损伤分析

斜拉索是斜拉桥重要的承重构件,索体工作环境恶劣,极易遭受腐蚀与疲劳破坏,使得实际寿命大大低于设计寿命。在分析斜拉索钢绞线锈蚀和疲劳过程的基础上,以钢绞线有效截面面积为耦合参数,研究锈蚀疲劳耦合作用下的拉索损伤计算方法。对某钢绞线拉索的计算分析表明,锈蚀和疲劳的耦合作用造成的强度损伤要高于两者简单叠加之和,符合实际情况。该分析给出的强度损伤、剩余强度和当前承载力等计算公式,也可以为拉索剩余寿命估算提供参考。     

输电塔线耦合体系的风振疲劳时域分析

风荷载作用下的输电塔线结构属于非线性耦合振动体系,自然风的脉动分量使体系中的构件处于交替受力状态,从而可能导致构件的疲劳破坏.文中以某直流线路的一段塔线体系为例,提出了输电塔线体系的风振疲劳时域分析方法;采用AR模型产生了随机风场,对输电塔线耦合体系进行了非线性风振时程分析;建立了考虑风向和风速分布等因素影响的疲劳累积损伤计算公式;确定了输电塔结构中疲劳损伤的关键部位,针对关键部位进行了应力分析,并采用线性累积损伤理论对构件的风振疲劳寿命进行了评估.结果表明,文中提出的时域分析方法可有效估算输电塔结构在风振作用下的剩余寿命.     

大跨径斜拉桥斜拉索静风荷载计算方法比较

针对大跨径斜拉桥对风荷载作用十分敏感的特点，分析了斜拉索风荷载的不同计算方法的差异，并以苏通长江公路大桥为例比较了不同计算方法对关键截面响应的影响．分析表明，对于大跨径斜拉桥，斜拉索上的风荷载计算方法对关键截面的响应影响较大；横桥向风作用下，在不考虑斜拉索设计风速的误差的前提下，可将斜拉索上风荷载平均分配到其端部；顺桥向风荷载作用下，则斜拉索上风荷载应直接作用在拉索分段的节点上。     

交通荷载对拉索钢丝疲劳寿命的影响

钢丝的疲劳寿命主要受到荷载(特别是交通荷载)作用的影响.从疲劳裂纹扩展以及临界裂纹长度两个方面研究交通荷载对疲劳寿命的影响.首先从Paris公式出发对裂纹扩展量计算公式进行简化,指出疲劳应力幅概率分布对疲劳寿命的影响主要由其均值决定;接着采用Rice公式提供的临界交通荷载分布规律对疲劳寿命的影响进行分析,给出了疲劳寿命的失效概率计算公式.通过将以上方法应用于实桥的拉索钢丝,发现应力幅的变异性对疲劳寿命的影响可以忽略.计算结果还显示,交通荷载极值对于疲劳寿命有一定影响,其标准差可达9周以上.     

预应力混凝土折线塔拉索锚固区结构特性

以沈阳市某斜拉桥为工程背景,对该桥特殊结构的力学特点进行研究,采取模型实验及Madis/Civil数值分析相结合的方法,对预应力混凝土折线塔主塔锚固区进行研究,将实验及数值分析的结果进行对比及分析.结果表明:预应力混凝土折线塔主塔锚固区模型试验与理论分析的结果基本一致,在斜拉索的作用下,折线塔外壁斜拉索的索孔上方处较其他外壁处应力集中,易产生裂缝;折线塔在倒角处最先开裂,倒角处的应力集中较为严重,为折线塔设计的关键部位.     

莲城大桥疲劳荷载车辆模型研究

为了确定莲城大桥合适的疲劳荷载车辆频值谱,基于无人机和人工现场实测交通量并且通过对莲城大桥交通量分析,得到了6种车辆荷载频值谱.基于等效损伤原理将得到的6种车型的荷载频值谱转化为3种标准的疲劳荷载车辆模型的频值谱,这3种标准疲劳荷载车辆模型分别为M1、M2和M3,其中M1为2轴车辆模型,总重为135 kN,轴距为3.6...     

混合梁斜拉桥静力有限元模拟

混合梁斜拉桥是由塔、梁、索三部分构成的结构体系。本文结合甬江左线特大桥的结构特点和荷载情况,利用有限元软件Midas建立了全桥有限元模型,介绍了全桥模型的建立和斜拉索、主梁、索塔的模拟方法,并通过边界条件的模拟与荷载的取值分析了全桥成桥状态下和列车运行状态下全桥主梁和斜拉索的受力特点。     

车辆荷载谱作用下简支T梁力学性能

由自编程序VLS(vehicle load spectrum--车辆荷载谱)构造随机车辆荷载谱,利用有限元程序将一般运行状态下的随机车辆荷载谱加载于简支T型钢筋混凝土梁上,模拟该梁在车辆荷载通过时的动力响应,得到了T梁位移时间历程曲线以及梁压区混凝土和拉区钢筋的应力时间历程曲线,并分析了压区混凝土和拉区钢筋的疲劳性能.结果表明车辆荷载谱作用下T梁动挠度大于汽车-20和挂车-100静荷载作用下的挠度;压区混凝土及拉区钢筋的最大应力均介于汽车-20和挂车-100静荷载作用下的应力值之间;T梁疲劳寿命可达到2×106,但不超过2×107;拉区钢筋不能够满足混凝土规范关于疲劳验算的规定,需要进行验算.     

沥青路面荷载型竖向反射裂缝疲劳断裂分析

根据疲劳断裂理论,分析了车辆荷载作用下半刚性基层开裂处沥青面层反射裂缝的形成机理,指出了在反射裂缝扩展过程中,荷载作用位置、层间结合状态、边界效应、材料参数等对应力强度因子的影响规律,并且建立了各结构参数下应力强度因子对裂缝扩展拟合参数的RBF(径向基函数)神经网络模型.最后,采用广义Paris公式,对路面剩余寿命进行了预估及分析.     

钢筋混凝土桥面板疲劳寿命评估

为确保桥梁使用安全,对混凝土桥面板进行疲劳寿命评估十分迫切.基于疲劳损伤累积理论和混凝土桥面板车轮移动疲劳加载下试验数据,并引入模型相关系数,用来考虑桥面板实际寿命和试验寿命的差异,建立了混凝土桥面板疲劳寿命预测模型,对混凝土桥面板的疲劳寿命进行评估.分析比较了采用英国BS5400、欧洲规范Eurocode和美国AASHTO规范中标准疲劳车评价混凝土桥面板疲劳寿命的差异性,以及车辆超载对桥面板使用寿命的影响.计算结果表明:疲劳标准车技术参数对混凝土桥面板的疲劳寿命影响较大,应研发适用于桥面板疲劳分析的车辆荷载模型;在没有实桥调查数据情况下,建议优先采用BS5400规定的车轮活载频谱值;当车辆超载20％以上时桥面板寿命下降显著,超载40％以上时桥面板寿命将低于10年,因此在桥梁运营中应严格禁止超载20％以上车辆的通行.     

江顺大桥风致抖振响应及斜拉索疲劳损伤分析

大跨度斜拉桥在脉动风荷载作用下拉索的疲劳损伤问题不容忽视。以江顺大桥为研究对象,进行了考虑静风平衡的抖振响应及拉索疲劳损伤分析。首先通过谐波合成法合成了桥址处的脉动风速,在综合考虑桥梁的几何非线性与风荷载非线性的基础上,运用ANSYS软件进行了桥梁结构的风致抖振响应分析;然后利用MATLAB软件编制的雨流计数法程序对拉索单元的应力时程进行数据统计,得到拉索单元的应力幅值及对应的循环次数;最后基于Miner线性累计损伤原理对关键位置拉索进行疲劳损伤研究,分析了风参数对拉索疲劳损伤的影响。研究结果表明,疲劳损伤最大的拉索为背风侧的跨中长拉索;风速与风攻角越大,拉索疲劳损伤也越大。