考虑环境变温作用的大跨桥梁疲劳损伤分析

基于桥梁健康监测系统记录的温度时程数据,研究钢箱梁顶板、底板的温度变化特征和规律,利用间接耦合法将热分析的温度数据作为体荷载施加于结构多尺度有限元模型,获得了环境变温引起的结构应力,实现了从热分析到结构应力的分析.然后,利用健康监测系统记录的应变时程数据,考察车辆荷载和环境变温所引起的应变特征的差异,提取和分离出由环境变温和车辆荷载引起的应变时程,并与模拟得到的应力时程加以对比和相互验证,在此基础上利用连续介质损伤力学理论分析车辆荷载单独作用以及车辆和环境变温交互作用所引起的桥梁累积损伤.结果表明:提出的损伤分析流程可实现桥梁关键部位在考虑环境变温和车辆荷载两种因素作用下的损伤分析.环境变温单独作用所引起的疲劳损伤很小,基本可以忽略,但两者交互作用所引起的结构疲劳损伤相对于车辆单独作用下的损伤有显著差异.在服役初期环境变温的作用并不显著,随着疲劳损伤的不断增加,这种交互作用对结构疲劳损伤累积的影响会愈发明显,即环境温度变化引起的荷载会加速结构服役中后期疲劳损伤的累积速率,进而对结构疲劳寿命产生显著影响.     

润扬悬索桥扁平钢箱梁局部应力的测试与分析

为了计算钢箱梁的局部应力并与现场实测进行对比分析,基于子模型法提出了大跨悬索桥扁平钢箱梁应力分析的数值计算方法.以润扬悬索桥为例,建立全桥的整体结构尺度模型,并通过成桥试验验证了该模型的准确性.选取跨中钢箱梁建立局部构件尺度的精细模型.在局部模型的切割边界,应用子模型法衔接两尺度模型进行钢箱梁局部应力的数值计算,并与成桥静载试验的测试结果进行了对比分析.在此基础之上,系统地总结了大跨悬索桥钢箱梁结构在车辆荷载作用下的工作行为和受力性能.结果表明,钢箱梁顶板U形肋存在较大的应力变化幅值,应作为结构健康监测与疲劳状态评估的重点构件.     

基于结构健康监测系统的桥梁疲劳寿命可靠性评估

为探讨如何利用结构健康监测系统所记录的应变－时程曲线进行桥梁结构疲劳寿命的可靠性评估。选取若干天的应变－时程曲线,通过统计分析得到其标准样本,认为该桥上所有的应变循环都是这个标准样本的重复;利用雨流计数法,得到标准样本的应力幅谱。在对桥面结构细节的疲劳寿命进行可靠性评估时,利用BS5400关于桥梁构件细节的标准分类结果对已有的概率模型进行修正,得到适合于桥梁疲劳寿命可靠性评估的概率模型。     

基于实测车流的钢箱梁横隔板疲劳特性

为研究车流荷载作用下钢箱梁横隔板弧形切口处母材的疲劳特性,以佛山平胜大桥为背景工程,基于动态称重系统(WIM)监测数据,得到了该桥9种车型的疲劳荷载谱,运用ABAQUS建立了钢箱梁节段模型,计算了横隔板弧形切口处疲劳应力时程曲线。通过模型试验验证,得到了设计弧形切口的疲劳寿命和裂纹扩展规律。研究结果表明:该悬索桥疲劳车型可简化为V2～V10共9类,不同车道的同一车型轴重差异较大,3~#、4~#车道轴重普遍高于1~#、2~#、5~#车道,最大轴重为3~#车道的V10车型的Z3轴,重达151 kN;重车道(3~#、4~#车道)V2～V10车型的比例明显高于其他车道;轮轴作用下弧形切口处沿纵桥向的应力影响线较短,约3个横隔板间距,动力响应始终为压应力,且仅能识别轴组,不能分辨轴组中的单根轴重,当V10车型后轴组通过时,弧形切口的压应力幅达最大,为-169 MPa;考虑车辆超载时,弧形切口处的最小和最大疲劳应力幅分别为不考虑车辆超载时的1.17倍、1.75倍;模型试件在膜压应力幅作用下弧形切口处母材出现疲劳裂纹,开裂位置与实桥一致,均萌生于横隔板弧形切口处起弧点附近,裂纹长度达53 mm;裂纹扩展前期速率较快,后期逐渐减慢;轮载横向作用位置对弧形切口处应力幅影响很大,轮载作用于弧形切口正上方时,该位置应力幅最大。     

桥梁结构动态应变监测信息的分离与提取

对工作应变传感器和温度应变传感器的数据进行了对比分析,利用能量谱比指标将监测系统输出的原始应变数据按照温度、应力和测量噪声3种类型在频域中进行分类,分别确定了温度变形与结构应变的分界频率.提出了一个多分辨递阶方法,可将3类不同信息分离并提取出由结构应力导致的应变信息,在分离信息基础上考察了干扰部分和温度应力部分对疲劳评估的影响.研究结果表明,2个分界频率值对同类桥梁有较强的参考价值,提出的算法具有多分辨和递阶的特征,适合于海量应变数据的压缩与预处理,便于在结构健康监测系统软件中集成.虽然变温变形部分的能量很大,但其对疲劳评估产生的误差很小;而干扰信息虽然能量很小,但对疲劳评估产生的影响很大,其主要原因是干扰信息使得应力应变中提取的应变幅发生偏移.     

基于断裂力学和长期监测数据的钢箱梁桥顶板U肋焊缝疲劳可靠度分析

针对钢箱梁桥顶板U肋嵌补段对接焊缝的构造特点与受力状态,以润扬大桥钢箱梁为研究对象,基于线弹性断裂力学和长期监测数据,提出了该焊缝的疲劳可靠度分析方法.基于有限厚板半椭圆表面裂纹模型推导了焊缝的临界损伤累积函数,采用随机模拟的方法建立了临界损伤累积函数的概率模型.针对焊缝疲劳荷载效应的多峰分布特征,采用高斯混合分布建立了等效应力范围的概率模型.研究表明,顶板U肋嵌补段对接焊缝的临界损伤累积函数服从对数正态分布;焊缝等效应力范围的概率模型可表述为多个高斯分量的加权平均;润扬斜拉桥焊缝的疲劳可靠度显著大于相同位置的润扬悬索桥焊缝,反映了两桥钢箱梁局部构造的差异.该方法可为同类型桥梁的疲劳可靠度分析提供参考.     

交变载荷与温度耦合对γ-TiAl合金疲劳裂纹扩展影响研究

利用分子动力学方法，在交变载荷与温度耦合条件下，模拟γ-TiAl合金的疲劳裂纹演化过程，探索TiAl合金不同阶段疲劳性能变化的微观机理，得到了在周期循环拉压加载时间比R=10∶1，沿[001]方向以v=10 m/s恒定速率交变加载时，不同温度（300 K、750 K、950 K）条件下，单晶TiAl合金疲劳断裂及缺陷演化的规律。结果表明：交变载荷与温度耦合加载时，在同一应力条件下，随温度的升高，发射位错数量增加且衍生多种类别缺陷，系统初始开裂应变量增大，位错的演化使应力-应变关系发生波动现象。位错密度峰值多集中于应力峰值区域，位错演化与产生的体心立方结构、面心立方结构衍生过程有关。该研究成果为复杂外载荷状态及不同温度条件下的γ-TiAl合金性能设计提供有力的理论指导。     

基于实测数据的润扬大桥悬索桥全寿命评估随机温度场模拟

为了得到桥梁全寿命评估的温度数据,提出了一种基于实测数据的钢箱梁桥随机温度场模拟方法.首先,采用最小二乘估计和假设检验,对润扬大桥悬索桥扁平钢箱梁为期5年的实测温度和温差进行了统计分析;然后,提出了一种复杂统计模式下样本序列模拟的数值逆变换抽样方法,并建立了扁平钢箱梁的全寿命评估随机温度场.研究结果表明:扁平钢箱梁实测温度服从2个正态分布的加权和,实测温差则服从1个Weibull分布和1个正态分布的加权和;利用数值逆变换抽样方法模拟得到的样本的概率密度函数与目标概率密度函数吻合良好;模拟温度场能准确描述扁平钢箱梁的温度特性.因此,该数值逆变换抽样方法能够准确模拟大跨悬索桥扁平钢箱梁全寿命期的随机温度场.     

润扬大桥悬索桥小波包能量谱识别的环境变异性

对润扬大桥悬索桥结构的实测加速度响应进行了小波包分析,详细地考察了环境激励下悬索桥实测小波包能量谱的环境变异性.分析结果表明,实际环境条件(交通荷载、环境温度和台风荷载)与悬索桥实测小波包能量谱存在较为明显的相关性,主要表现为环境温度的变化对小波包能量谱的影响是长期性的趋势,而交通荷载的影响则由于荷载的非平稳性呈现瞬时的颤动变化.实测数据的分析结果进一步表明,环境温度和台风作用对于小波包能量谱的影响规律存在着较为明显的差异.相比模态频率而言,利用小波包能量谱可以更敏感地发现大跨悬索桥结构的振动特性变化.因此,基于小波包能量谱的结构损伤预警参数更适合于环境振动测试下的大跨悬索桥整体状态监测.     

基于大数据的大跨悬索桥钢箱梁疲劳寿命分析

为有效利用桥梁监测系统积累的大量数据进行桥梁性能分析,首先,以西堠门大桥为研究对象,建立多尺度非线性有限元模型,并探讨了利用监测系统所获得的风速、温度、车辆及位移等多类监测数据对所建模型的可靠性进行验证的方法;然后,基于WIM系统采集的海量车辆信息数据,通过统计分析确定了6类疲劳标准车,将其施加到多尺度有限元模型,获得了钢箱梁焊接细节的应力响应,结合Palmgren-Miner线性累积损伤理论,计算钢箱梁构造细节疲劳寿命的理论值,并采用滤波、去噪等大数据分析方法对应力监测数据进行分析,基于实测数据计算钢箱梁焊接细节疲劳寿命,以确定理论疲劳寿命的修正系数;最后,根据修正后的理论疲劳寿命,将钢箱梁横向不同位置的构造细节划分为4个疲劳等级.文中研究为获取未布置传感器的构造细节疲劳寿命提供了新的思路,可指导大跨桥梁钢箱梁的日常养护管理工作.     

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.     

基于WIM的福建省重载交通公路车辆荷载模型

为建立适合福建省重载交通公路的车辆荷载模型，选取车流量大、重载货车比例高的沿海地区，布设2个动态称重（WIM）系统测点。通过对WIM系统长达30个月不间断采集的车流数据的统计分析，得到福建省典型重载交通公路车辆荷载的统计特征，并建立了相应的车辆荷载模型。基于实测模型与现行规范汽车荷载标准，对典型公路简支梁桥和连续梁桥的汽车荷载作用效应进行了分析，结果表明：对福建省重载交通公路桥梁，采用公路—I级汽车荷载标准进行结构设计总体上是安全的，而采用公路—II级汽车荷载标准则偏于不安全。本文所建立的重载交通公路车辆荷载模型可供福建省公路桥梁设计或结构损伤验算时参考。     

桥梁运营监测数据相关性分析及温度效应剔除

针对某重载铁路桥梁运营监测数据,获取了温度、应变及挠度的基本特征,分析了结构温度与环境温度、结构应力以及结构挠度之间的相关性。进而将运营监测数据的组成分为荷载高频段和长波低频段,采用小波变换,将二者进行分离,分别得到了由温度效应和外部荷载所引起的桥梁应力及挠度数据,结果表明：桥梁结构温度变化主要依赖于其所处的环境温度;主梁截面温度较桥墩截面温度在趋势上更符合环境温度的变化;主梁在纵桥方向上的不同位置具有一致的温度分布形式;温度对桥梁应力和挠度均具有较强的相关性;剔除温度效应得到的列车活荷载作用下桥梁结构的响应结果更为精确,可为后续桥梁运营安全分析与评估提供科学数据和参考。     

基于长期监测数据的大跨桥梁结构伸缩缝损伤识别

以润扬大桥悬索桥148 d的健康监测数据为对象,通过分析伸缩缝位移和环境条件的相关性,去除了温度、交通荷载等环境条件对伸缩缝位移的影响,并建立了桥梁伸缩缝的状态监测与评估方法.分析结果表明:温度、交通荷载与伸缩缝位移具有显著的相关性,位移随着温度升高而变大,随着交通荷载的增强而减小;风速和位移的相关性十分微弱.风对伸缩...     

高速公路分车道荷载差异及其响应特性

为研究我国高速公路各车型分车道行驶的交通规则对分车道荷载及其响应的影响,选取实测的单向两车道、三车道和四车道的动态称重(WIM)数据,首先统计了各车型对车道的选择概率;然后,对比了分车道交通流量及荷载分布的差异;最后从车重极值、荷载响应极值、荷载响应损伤累积三方面研究了分车道行驶对桥面结构局部设计、桥梁整体设计和桥梁疲劳设计的影响.研究表明,各车型对车道具有特定的选择概率,分车道在车型组成、交通流量及荷载分布上显著差别.不同车道数时,分车道的外推车重极值存在差别,桥面结构局部设计用车辆荷载模型应据此进行车道修正.分车道荷载响应极值的比值及等效应力幅的比值均不为1,说明分车道最不利荷载响应及疲劳损伤累积效应都不相同,桥梁的整体设计和疲劳设计应该考虑这些特性.     

温度对桥梁动力特性的影响研究

摘要：环境因素（如温度和行车荷载等）变化会引起的结构动力特性的变异,因此,在基于振动的结构健康监测和损伤识别技术中,如何区分环境因素变化与结构损伤所引起的结构动力特性的变异性,并量化环境因素对结构动力特性的影响显得非常必要。本文在吉昌特大桥通车前对其主桥和引桥的动力响应和温度分别进行了测试。首先,用模态自动识别程序识别得到两座桥的前三阶模态。其次,得出箱梁桥的前三阶模态频率和T型梁桥的第三阶模态频率与温度具有显著的负相关性的结论。最终,分别建立了两座桥的动力特性与温度之间的线性回归模型。     

基于改进损伤算法及MCMC车流模拟的 混凝土桥梁疲劳寿命预测

基于改进损伤算法及多车道精细车流模拟,提出一种新的混凝土桥梁疲劳寿命的预测方法.改进损伤算法将每一次循环造成的损伤计入S-N曲线,对疲劳荷载作用下材料的S-N曲线进行了修正,使得材料疲劳寿命预测结果更贴近真实状况.采用马氏链蒙特卡洛模拟法(Markov Chain Monte-Carlo,MCMC),考虑车流中相邻车型及车道的相关性,生成多车道精细车流.分别通过一组钢筋混凝土梁及一组预应力混凝土梁多级变幅疲劳试验对改进损伤算法的准确性进行了验证.介绍MCMC多车道随机车流模拟的具体流程,并提出基于改进损伤算法及多车道随机车流模拟的混凝土桥梁疲劳寿命预测方法.最后,以某高速公路实测交通流数据与一座跨径为20 m的简支T梁桥为例进行分析.结果表明:5组试件预测误差较常规损伤算法均有明显降低,除两根预应力混凝土梁预测误差较大(53％～56％)外,其余3组试件误差较小(小于8％),表明改进损伤算法可用来预测混凝土桥梁的疲劳寿命;实例分析中,简支T梁桥各主梁应力幅谱呈现多峰分布的特征,与车辆荷载分布特征相似,验证了模拟的合理性;根据改进损伤算法预测,当年交通量增长率(Average Annual Growth Rate,AAGR)为0时,该T梁桥的疲劳寿命为77.50年,不满足设计使用年限要求.AAGR为3％时,疲劳寿命为52.49年,较AAGR为0时下降32.27％.     

重轴载交通下斜向预应力混凝土路面应用研究

针对重轴载交通下普通水泥混凝土路面抗疲劳性能较差、容易产生裂纹的问题,提出将斜向预应力混凝土路面引入重轴载交通中,并结合已有定测下混凝土疲劳试验结果对其抗疲劳机理进行深入分析.同时,根据混凝土疲劳破坏发展的历程,提出此种路面结构中预应力筋的分步张拉方法:当混凝土浇筑完成24h后,预应力筋第一次张拉到30%的设计轴力,以控制混凝土路面初期裂纹;当混凝土达到设计龄期后,张拉至设计轴力用以抵消温度应力和部分重轴载引起的路面拉应力,保证路面结构在正常使用情况下处于三维压缩状态,从而防止混凝土裂纹的出现和扩展,达到提高混凝土第二阶段抗疲劳强度的目的.实例验证了斜向预应力混凝土路面结构适用于重轴载交通.     

Fatigue Analysis and Life Prediction of Dumpers with Cumulative Fatigue Damage Approach

A fatigue damage model is developed for evaluating accumulative fatigue damage of dumpers. The loading spectrums acted on dumpers are created according to measured strain data in field. The finite element analysis is carried out for assessing stress distribution and strength characteristics of dumpers. Fatigue damage indexes and service life are calculated by a modified Palmgren-Miner rule. The investigation shows that fatigue notch factor has a significant influence on the calculation of fatigue damage of dumpers.