基于断裂力学的锚拉板疲劳寿命评估

为研究斜拉桥锚拉板结构的疲劳性能,以一座叠合梁斜拉桥为例,采用最新钢桥规范的疲劳荷载模型加载并按雨流法处理计算了疲劳荷载谱,结合空间实体有限元模型,识别了锚拉板的典型构造细节并获得疲劳应力谱;在典型构造细节处引入初始表面裂纹,计算了裂纹尖端的应力强度因子,回归分析得到应力强度因子与裂纹尺寸的关系式,代入Paris公式积分得到了各典型构造细节的疲劳寿命,从而建立了基于断裂力学的锚拉板疲劳寿命分析方法.研究结果表明:基于断裂力学方法得到的锚拉板疲劳寿命超过了100年,满足设计及使用要求;裂纹初期扩展很慢,当尺寸达到10mm时,已消耗了60%~80%的疲劳寿命,应及时加以补强.     

基于实测应变的钢桥面板疲劳寿命分析

为评估钢桥面板的疲劳寿命,在某大桥钢箱梁1/4跨截面的顶板与U肋连接焊缝处和横隔板弧形缺口处布置应力测点,进行24 h疲劳应力监测。根据实测数据,利用雨流计数法计算得到疲劳应力谱,并基于BS 5400规范对各应力测点的疲劳损伤状态进行评估。结果表明：横隔板弧形缺口周边测点的应力水平相对较高;各应力测试点以低幅值应力循环为主,其中应力幅为2~10 MPa的循环次数占90%以上,但最大应力幅值均超过了BS 5400规范规定的产生疲劳损伤的极限值。疲劳寿命分析表明,顶板与U肋纵向连接焊缝过焊孔处易产生靠近顶板部位的疲劳裂纹,横隔板与U肋腹板连接焊缝的疲劳寿命较低。     

车辆荷载下长山大桥斜拉索以及塔梁墩连接处疲劳分析

根据S-N曲线和线性累积疲劳损伤准则等对长山大桥斜拉索进行车载下疲劳分析和寿命评估.利用ANSYS编制程序绘制塔梁墩固结处的位移影响线,找出荷载最不利位置,然后,结合疲劳分析软件FE-SAFE计算塔梁墩固结处的疲劳寿命.分析结果表明,长山大桥塔梁墩固结处在车辆荷载反复作用下最容易发生疲劳破坏,其内索区斜拉索在车辆荷载反复作用下寿命要低于边索区,这为长山大桥日后检修维护等工作提供了一定依据.     

车轮荷载下钢箱梁疲劳构造细节应力等级评定

针对车轮荷载作用下钢箱梁的疲劳构造细节等级评定问题,基于应力影响线,研究钢箱梁9种疲劳构造细节的局部疲劳应力。根据等效损伤原理对最大应力幅进行修正,并以此为依据划分钢箱梁疲劳构造细节。结果表明：车轮荷载对钢箱梁9种疲劳构造细节的应力影响范围均较小,横隔板与顶板、纵肋相交处的应力影响范围为横隔板间距;顶板与纵肋相交处、纵肋对接处以及顶板对接处,应力影响范围为横隔板间距的1/2。钢箱梁横隔板与纵肋相交处的修正等效应力幅最大,纵肋对接处的修正等效应力幅最小。考虑受力和施工质量,钢箱梁疲劳构造细节可划分为5个疲劳应力等级,并给出9种疲劳构造细节对应的等级。     

随机车流作用下悬索桥钢桥面板疲劳损伤与寿命评估

为了评估大跨度悬索桥钢桥面板在车流荷载作用下疲劳安全性,在实测车流数据的基础上,采用有限元数值模拟方法对某主跨为820 m的悬索桥钢箱梁顶板-U型肋构造细的疲劳损伤及寿命进行研究。通过对动态称重(WIM)实测车流数据的统计分析建立随机车流模型,基于应力-寿命(S-N)曲线和线性累积损伤准则分析运营状态和交通量增长对悬索桥钢桥面板构造细节疲劳损伤及寿命的影响。研究结果表明:随着密集运行车辆占有率的增加,疲劳损伤呈较缓增长趋势;随着交通量系数的增长,疲劳损伤呈加速增长趋势。与密集运行车辆占有率相比,交通量增长系数对疲劳损伤有较大的影响。在交通量增长系数达到6%时,钢桥面板细节疲劳寿命小于设计基准期,基于实测车流数据的疲劳性能评估对确保钢桥面板在运营期的安全性尤为重要。     

正交异性钢桥面板U肋与横隔板构造细节围焊处疲劳性能

为了研究正交异型钢桥面板的U肋与横隔板连接处的疲劳性能,以九江长江公路大桥正交异性钢桥面板的U肋与横隔板处焊缝细部构造为研究对象,通过实桥结构有限元分析及其局部结构子模型法进行的精细分析,得到了该细部结构焊缝处的应力分布及疲劳危险点;以疲劳试样关注点应力状态应与实桥对应位置应力状态相同的设计原则设计了疲劳试样。对疲劳试样进行了有限元分析、应力测试和疲劳试验。研究结果表明:疲劳试样与实桥在U肋与横隔板焊缝处的应力变化规律相一致,最大应力发生在U肋与横隔板焊缝围焊处的焊址部位;疲劳裂纹首先发生在U肋与横隔板焊围焊处,然后沿焊缝向两侧扩展;同时得到了该处的S-N曲线以及容许应力幅值;研究成果为大桥的疲劳寿命评估和养护维修提供依据,也为其他桥梁设计提供参考。     

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。     

港口公路桥梁疲劳荷载谱研究与应用

为了对港口公路桥梁疲劳荷载谱进行研究,以浙江沿海一座港口公路桥梁为背景,连续跟踪其1年内的通行车辆荷载信息,研究港口公路桥梁的疲劳荷载谱。首先根据车轴数量和轴距将桥上通行车辆划分为7类,从车流量、轴载质量和轴距3个方面分析港口公路桥梁车辆荷载的分布特征;然后根据等效疲劳损伤原理,计算各车型的等效轴载质量和等效轴距,得到港口公路桥梁疲劳荷载谱;最后应用得到的疲劳荷载谱,采用热点应力法对该港口公路桥梁正交异性钢桥板的3个关键疲劳细节进行寿命评估。结果表明:两侧慢车道车流量占主要地位,占比高达总量的79.5%;四轴以上货车(V4~V7)在总车流量中占比高达81.5%,以V4、V5和V7为主;其中四轴车轴载质量均服从混合高斯分布,轴距均服从典型高斯分布;在港口公路桥梁疲劳荷载谱中,所有等效疲劳车辆的质量均大于10t,并且四轴以上货车占比高达85.9%;四轴以上货车对钢桥面板的疲劳损伤贡献率超过90%,其中五轴车和六轴2类车占比最高,约为70%,三轴2类车的疲劳损伤贡献率最低,占比不到1%;评估得到该桥钢桥面板的3个关键疲劳细节的疲劳寿命均小于设计使用寿命,并且疲劳细节P2和P3的疲劳寿命仅为4.4年和6.1年,后续应对其加强监测,以确保桥梁结构安全;得到的疲劳荷载谱对今后港口公路桥梁的抗疲劳设计和疲劳损伤评估具有较强的参考价值,疲劳寿命评估结果对该桥的后期维护具有指导意义。     

复杂应力耦合作用下斜拉桥正交异性桥面板疲劳断裂

为研究随机车辆荷载与焊接残余应力等复杂应力耦合作用下,斜拉桥主梁正交异性桥面板焊接细节的疲劳断裂性能,以苏通长江大桥为工程背景,在调研统计交通量的基础上,基于Monte-Carlo法建立随机车辆荷载模型,分析随机车辆荷载作用下正交异性桥面板焊接细节的力学行为;基于ANSYS有限元软件,建立焊接细节热分析模型,模拟焊接加热过程与冷却过程,获得焊趾附近残余应力分布。将焊接残余应力作为初始应力,采用数值模拟获得随机车辆荷载与焊接残余应力耦合作用下正交异性桥面板焊接细节的疲劳应力谱。基于双参数疲劳裂纹扩展模型,考虑疲劳裂纹扩展裂纹闭合效应,分析随机车辆荷载与焊接残余应力耦合作用下,正交异性桥面板焊接细节疲劳裂纹扩展行为。结果表明:焊接残余应力与随机车辆荷载耦合作用下,焊接细节疲劳应力幅值远大于车辆荷载作用的应力幅值;在随机车辆荷载与焊接残余应力耦合作用下,正交异性桥面板顶板与U肋焊接节点的剩余疲劳寿命随裂纹长度的增大而下降;焊接残余应力的存在极大地降低了焊接节点的疲劳寿命,与仅考虑随机车辆荷载作用下焊接节点的疲劳寿命相比,焊接残余应力与车辆荷载应力耦合作用下的疲劳寿命下降30%～40%,且疲劳寿命降低幅度随残余应力的增大而增大。     

基于随机振动环境归纳的车辆设备疲劳寿命估计

针对车辆设备疲劳寿命估计时的复杂振动环境特点,提出一种适用于车辆设备的随机振动环境归纳方法,并基于此归纳方法给出了一种车辆设备疲劳寿命估计流程。通过参数假设检验合并振动环境数据,估计样本的容差上限,得到实测谱和规范谱。以某型地铁车辆轴箱吊耳疲劳断裂为例,对实测应力进行统计分析,并将实测谱和规范谱作为激励,仿真计算吊耳的疲劳寿命。结果表明,相比于实测应力下的疲劳结果,实测谱和规范谱的仿真结果的相对误差分别为1.8%和4.1%,证明提出的振动环境归纳方法及疲劳寿命估计方法可靠性高,可为实际工程应用提供参考。     

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.     

既有钢桥工作状态模拟与剩余寿命评估

为评估既有钢桥的剩余寿命与使用安全,首先要建立能够精确模拟桥梁目前使用状态的工作模型,以准确计算桥梁中疲劳细节应力。在对桥梁交通荷载进行调查统计分析的基础上,建立能代表真实运营状况的车辆交通荷载谱,从而实现结构所承受荷载历程的模拟。以京九线南昌赣江桥为例,概要介绍既有钢桥工作模型与铁路列车荷载谱的建立,以及疲劳剩余寿命的评估结果。实例研究表明,为保证既有钢桥疲劳剩余寿命评估的可靠性,对结构工作状态和荷载谱进行精确模拟是十分关键的。     

广州市高架桥疲劳荷载车辆模型研究

通过对广州市内环线恒福路段交通情况的实地调查，依据等效疲劳损伤原理，将实测的车辆荷载频值谱简化为由疲劳荷载模型车辆组成的实用频值谱，得到了由日常运营车辆组成的荷载频值谱．根据车辆组成的荷载频值谱，建立了广州市高架桥疲劳荷载车辆模型．所建立的疲劳荷载车辆模型，可供广州市其他高架桥梁疲劳损伤验算或疲劳设计时参考．     

基于交通量调查的大跨PC箱梁跨中区段疲劳应力谱

为分析大跨径预应力混凝土(简称PC)箱梁跨中区段在车辆荷载作用下的疲劳累积损伤,以某PC连续刚构桥为例,对车辆荷载产生的疲劳应力谱进行了研究.首先,运用实桥交通量调查数据,计算得到了等效标准疲劳车的总轴重,据此从相关设计规范中选取了标准疲劳车模型.其次,运用Newmark法进行了动力时程分析,得到了标准疲劳车通过全桥时跨中截面的内力历程,并运用雨流计数法对内力历程进行了计数处理.然后,根据实桥交通量调查数据,分析了桥梁设计基准期内疲劳荷载的循环次数.最后,依据Miner线性累积损伤理论以及桥梁实际受力状况,分别确定了200万次室内疲劳试验的等效疲劳应力幅和疲劳平均应力,由此得到了由车辆荷载产生的疲劳应力谱.     

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...     

重庆两江大桥正交异性钢桥面板疲劳性能试验研究

为评估重庆两江大桥正交异性钢桥面板双向荷载下的疲劳性能,对由盖板、板肋和横隔板组成的箱形正交异性钢桥面板模型进行疲劳试验研究和有限元分析.采用应力等效方法,板肋与横隔板交叉细节部分采用1∶1足尺模型,横隔板开孔分别采用苹果形和钥匙形,面内和面外双向疲劳加载完成正交异性板结构设计寿命期及超长服役期的等效实桥疲劳应力幅作用下2 000万次疲劳试验.有限元值和实测值较吻合.在疲劳试验基础上,讨论横隔板开孔边缘、纵肋与横隔板焊接以及纵肋与盖板焊接3个关键部位的疲劳性能.研究结果表明:双向荷载作用下横隔板产生面外弯曲变形,易导致面外疲劳;正交异性钢桥面板构造未发现裂纹,疲劳寿命远超过设计寿命期.根据欧洲规范的疲劳等级分类检算,其疲劳强度满足使用要求.     

基于热点应力的钢桥面典型构造细节疲劳分析

正交异性钢桥面具有轻质、高性能、施工便捷等应用优势,但其构造复杂且多采用焊接工艺,在反复交变车辆轮载作用下疲劳开裂问题突出。其中,顶板与纵肋连接焊缝(简称顶板-纵肋焊缝)和纵肋与橫肋连接焊缝(简称纵肋-橫肋焊缝)是两类最突出和最具代表性的构造细节。本文采用名义应力法和三种常用热点应力法,在充分考虑交通量对荷载修正的基础上,对上述两类钢桥面典型构造细节开展了精细化有限元分析,确定疲劳应力幅,并进行疲劳检算。通过分析和对比各疲劳评价方法,提出适用于各类构造细节的计算方法。分析结果表明,分析顶板-纵肋构造细节和纵肋-橫肋焊趾截止处纵肋腹板竖向开裂推荐采用表面线性外推方法(Linear Surface Extropolation, LSE)方法,分析纵肋-橫肋焊趾截止处纵肋腹板横向开裂推荐采用Dong方法。研究结果可为正交异性钢桥面的评估、设计和应用提供参考。     

钢箱钢纤维混凝土准结合梁剪力键疲劳寿命评估

文章采用MSC Patran软件建立广州市内环线恒福路立交桥有限元模型,利用该路段交通量调查得到的标准车辆荷载谱对该桥进行加载,应用MSC Nastran、MSC Fatigue软件进行有限元分析和疲劳寿命评估两者的整合,对钢箱钢纤维混凝土准结合梁进行总体疲劳寿命评估,根据评估结果找出结构最为薄弱的位置,对该位置处的剪力连接件进行疲劳寿命评估,为该类构件的疲劳问题求解提供了实用计算方法.     

随机实测车辆荷载下大跨径斜拉桥钢箱梁的动力响应特征

依据南京长江第三大桥的实测交通流统计数据,结合等效疲劳损伤原理建立随机状态下的车辆荷载谱,基于有限元数值仿真程序进行全桥动力响应分析。通过计算大桥在实测车流作用下主梁不同位置位移和内力的动力响应时程曲线,分析车辆运营时程内主梁截面内力变化及动力放大系数。结果表明：随机车流作用下大桥主梁塔根处弯矩及轴力绝对值最大,跨中处弯矩及轴力变化幅值最大,而在1/4跨位移动力响应最大。跨中、1/4跨和塔根附近截面在时程内的最大应力幅值处,动力放大系数在1.00~1.03之间,动力放大系数比单考虑弯矩或轴力时稳定,且动应力放大系数与国内现行规范的动力放大系数较为吻合。     

焊接节点构造细节的低周疲劳试验研究

为了研究Q235低碳素钢平板对接焊接试件以及十字型承载V型坡口焊接试件的低周疲劳行为,采用等幅应变控制法对24个试件在不同塑性应变幅下的超低周疲劳性能进行了测试,拟合得到了两类焊接构造细节试件的疲劳寿命S-N曲线,并将测试结果与国际焊接协会发布的疲劳设计规程中同类焊接构造细节的S-N曲线进行对比.结果表明:平板对接焊接试件与十字型承载V型坡口焊接试件的裂纹起源不相同;在超低周疲劳范围内,两类焊接材料的损伤破坏主要包括材料延性损伤和循环疲劳损伤,比国际焊接协会中相同疲劳构造细节的高周疲劳寿命S-N曲线预期的疲劳强度更低,表现出更低的疲劳寿命.