基于年均小时交通量的卡车荷载预测模型及其对桥梁疲劳损伤影响

车辆实测数据表明,车辆荷载存在明显递增趋势.利用中国安徽省某桥梁长期健康监测数据,定义年平均小时交通量(AAHT)来考虑交通量的周期性和季节性变化,并据此建立季节性差分自回归移动平均模型(SARIMA)模型对未来交通荷载进行预测.同时,基于实测卡车数据的关键参数统计结果,建立多种类型的卡车荷载模型,逐一加载到某T梁桥有限元模型上,研究卡车荷载的非平稳增长对结构疲劳损伤的影响.结果表明,基于AAHT的季节性差分自回归移动平均模型能够准确预测车辆荷载,且车辆的非平稳增长对桥梁疲劳损伤影响显著,考虑车辆荷载非平稳增长时桥梁的疲劳损伤度约为不考虑车辆非平稳增长时的1.7倍.     

考虑轮迹横向分布的钢箱梁桥面板U肋处受力与疲劳分析

为研究轮迹横向分布对钢桥面板受力与疲劳性能的影响,本研究基于有限元理论建立悬索桥钢桥面板有限元模型,得到不同轮载作用下、不同参数构造的钢桥面板细节的等效应力,并计算其疲劳损伤度;通过数学方法建立车辆轮迹分布模型,确定轮迹在车道不同位置的分布概率,从而提出一种考虑轮迹横向分布的疲劳损伤计算方法。结果表明:U肋与横隔板连接处的应力幅受轮迹横向分布的影响范围较小,约为1.5 m,不必考虑多车效应;U肋与横隔板厚度的增加能改善研究部位的受力性能;U肋腹板处的损伤相对较小,靠近顶板部位、腹板与底板连接部位的损伤较为严重;考虑车辆轮迹分布后的疲劳损伤度下降了74%,因此考虑车辆轮迹的位置可以提高疲劳损伤评估的精确度。     

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．     

含脱空水泥混凝土路面交通荷载下的疲劳损伤机理

为获得含脱空水泥混凝土路面交通荷载下的疲劳损伤机理,开发了疲劳损伤本构关系的ABAQUS用户子程序UMAT,分析了全耦合方法下基准路面结构模型疲劳损伤场的分布与发展规律,并研究了交通荷载与面板弹性模量、面板厚度、脱空尺寸等路面结构参数对水泥混凝土路面结构裂纹形成疲劳寿命的影响.研究结果表明,随荷载作用次数的增加,路面结构的疲劳损伤不断增加,但其增幅逐渐减小,路面结构的荷载应力也逐渐减小.随着交通荷载的增加,路面结构的对数疲劳寿命呈线性减小趋势;随着面板厚度的增加,路面结构的对数疲劳寿命呈线性增加趋势;随着脱空尺寸的增加,路面结构的对数疲劳寿命呈幂函数曲线相关关系.     

基于实测的公路桥梁车辆荷载统计模型

基于动态称重系统获取的运营交通基本信息,依据轴组类型对所有车辆进行分类及筛选,建立了6种主要车型的车重、车距、车道交通量、轴重与轴距的统计模型,然后按损伤等效原则提供了6种车型的等效模型车辆,为桥梁疲劳可靠性评估提供了实用的车辆荷载模型.研究表明该建模方法能够准确描述交通荷载,建模过程与方法对同类问题具有普遍意义,可应用于建立各种交通状况下的疲劳车辆荷载模型或提供参考.     

基于疲劳损伤模型的钢筋混凝土梁疲劳可靠度分析

文章基于具有物理机制的混凝土疲劳损伤演化模型,根据物理随机系统的基本观点,确立混凝土随机疲劳损伤本构模型的基本随机参数;通过统计识别1批混凝土单轴受拉和受压疲劳试验数据,给出基本随机参数的概率分布,从而建立完整的混凝土疲劳损伤本构关系;将混凝土疲劳损伤本构关系与钢筋疲劳损伤本构关系相结合,通过设定受压区混凝土损伤破坏阈值,引入吸收边界条件与概率密度演化理论,评估预应力混凝土梁的疲劳可靠度,从而初步建立混凝土疲劳问题的精细化可靠度分析框架。     

结构疲劳累积损伤与极限承载能力可靠度

根据反复荷载作用造成的疲劳累积损伤对结构极限承载力的影响，研究了疲劳累积损伤下结构承载能力的可靠度计算方法，并以钢-混凝土组合结构的抗剪螺栓为例进行了分析。结果表明，即使常规的极限承载能力可靠度（不考虑疲劳累积损伤）和疲劳可靠度都很高，疲劳累积伤下结构的实际承载能力可靠度也可能较低，因此，在有条件时应对结构疲劳累积损伤下的极限承载力进行验算。     

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。     

考虑层间界面剪切损伤的复合式沥青路面力学特性

提出沥青路面层间界面剪切损伤本构关系方程、引入Goodman接触单元,模拟路面各分层之间的应力接触传递;基于ANSYS软件建立起考虑层间界面剪切损伤的沥青路面数值分析模型,对重载车辆制动荷载作用下典型复合式沥青路面结构的力学特性进行分析.研究表明,车辆轴重和层间粘结强度对层间界面损伤度、路面内水平剪应力及最大值位置、路面总沉降均有不同程度的影响;车辆超载1倍并制动时,层间界面损伤度最大值增加约50%,路面水平剪应力和沉降最大值翻1倍多;层间粘结强度减弱50%时,标准轴重车辆制动荷载下层间界面剪切损伤度翻1.5倍多,路面内水平剪应力、沉降最大值增加20%~30%.     

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。     

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。     

基于断裂力学的混凝土桥梁疲劳损伤及寿命评估分析

在传统分析典型混凝土桥梁疲劳损伤及剩余寿命预测的基础上,根据混凝土桥梁在变幅应力荷载作用下计算疲劳损伤度,建立等效疲劳车模型,通过断裂力学方法和K准则,确定混凝土主要构件的初始裂纹和断裂类型及临界断裂深度,并采用断裂力学方法对湖南省常德市沅水混凝土桥进行疲劳损伤及剩余寿命评估分析.结果表明:断裂力学方法在进行典型混凝土桥梁研究中表现出良好的可信度,是一种非常有研究价值的混凝土桥梁疲劳损伤和剩余寿命的研究评估方法.     

考虑低应力幅影响的钢吊车梁疲劳可靠度分析

讨论了钢吊车梁疲劳可靠度分析方法.首先,建立了考虑低应力幅对变幅疲劳损伤程度减弱和疲劳荷载循环次数增长率这两个因素的钢吊车梁疲劳失效极限状态方程;其次,探讨了疲劳失效极限状态方程中各随机变量的统计特性,并按一次二阶矩方法和蒙特卡洛模拟方法计算了疲劳可靠度指标;然后,通过算例,研究了以上两个因素对疲劳可靠度指标的影响.研究结果表明:考虑低应力幅的疲劳损伤减弱后,钢吊车梁的疲劳可靠度指标显著增大,但随着疲劳荷载循环次数增长率的提高,疲劳可靠度指标降低.最后,提出了钢结构疲劳设计的几点建议.     

九江长江大桥疲劳车辆荷载谱

为评定九江长江大桥在交通荷载作用下的疲劳累积损伤,对该桥疲劳车辆荷载模型进行了研究。基于九江长江大桥现场车辆荷载调查,共采集到近13万辆汽车的相关动态数据。依据轴组类型划分为18种典型车型,采用数理统计方法,研究了该桥车流量的时段分布特征,提出在00:00~06:00时间段内为最佳道路管养维修时间;根据动态称重系统获取车重信息,分车型讨论了南向、北向及双向合并车重的概率统计模型,建立了能代表九江长江大桥真实运营状况的典型车辆荷载谱,然后按等效疲劳损伤原理简化成由7种等效模型车辆组成的模型车辆荷载谱。研究结果表明:出现频次较多的分别为2轴、4轴和6轴货车,其中6轴货车对桥梁疲劳损伤最大。研究成果为桥梁抗疲劳设计和疲劳寿命评估提供了可靠的车辆荷载谱,也可为类似大桥疲劳分析提供参考。     

福州市城市桥梁疲劳荷载研究

通过对福州市城市桥梁交通荷载和运营车辆的装载情况调查,得到由32类日常典型的运营车辆组成的荷载频值谱,以及货运车辆的空载率.根据等效疲劳损伤原理将所得到的荷载频值谱简化为由6辆疲劳荷载模型组成的具有实用性的荷载频值谱.进一步分析得到一辆适宜验算桥面系构件的标准疲劳车辆荷载模型.所得到的疲劳荷载频值谱和疲劳车辆荷载模型,可以供城市钢桥疲劳损伤验算参考.     

沥青路面线性疲劳损伤特性及形变规律

为了研究沥青路面结构在车辆荷载作用下的疲劳损伤演化特性并分析其形变规律,运用通用有限元软件ABAQUS及其二次开发平台,建立考虑路面材料疲劳损伤的沥青路面结构数值计算模型,分析沥青路面结构在车辆荷载反复作用下路面结构损伤和水平正应变的空间分布与演化规律,以及路表弯沉随荷载作用的演变规律.结果表明:路面结构损伤主要分布在双轮中心线下靠近层底的区域,基层层底与底基层层底损伤度随荷载作用均增加,但增加幅度逐渐减小;路面结构层内水平正应变在荷载作用下,靠近层底位置拉应变逐渐增大,但增加幅度逐渐减小,中性轴上移;路表弯沉在荷载作用下逐渐增大,但增加幅度逐渐减小.研究结果可为沥青路面结构设计、养护维修及长期性能预测提供理论支撑.     

轮迹位置对钢桥面板U肋对接焊缝疲劳性能的影响

为研究车轮行驶位置对钢桥面板U肋对接焊缝疲劳性能的影响,现以江阴长江大桥为研究对象,采用数值模拟的方法,计算了不同车辆轮迹位置作用下U肋对接焊缝处的疲劳应力幅,结合BS5400规范得到了该细节相应位置的疲劳损伤度;建立U肋对接焊缝局部模型,模拟了不同车轮位置作用下疲劳裂纹扩展路径,同时得到了各扩展阶段的裂纹扩展参数。结果表明:车轮位置与焊缝之间距离大于600 mm,可忽略车辆位置对U肋对接焊缝开裂前的疲劳损伤累计;相对于其他部位,U肋两侧弧形段疲劳损伤严重,易产生疲劳裂纹;随着车轮位置的改变,裂纹扩展路径逐渐由与焊缝平行向与焊缝垂直发展,车轮位置与焊缝之间距离大于750 mm,可忽略车辆位置对U肋对接焊缝开裂后的裂纹扩展影响。     

考虑多因素影响的装配式梁桥横向联系疲劳损伤评估

为探讨实际运营条件下各因素对装配式混凝土梁桥横向联系结构疲劳损伤的影响,基于线性Miner累积损伤准则提出了该类桥型横隔梁钢板连接构造的疲劳评估方法和框架.依托工程实例,研究了随机交通的动力冲击效应、运行状态和桥面退化等因素对横向联系疲劳损伤的影响规律.结果表明:相对于按照95%保证率考虑随机车载冲击效应的影响,依照规范给定的冲击系数考虑冲击效应会明显低估构件的实际疲劳寿命;车辆运行状态对疲劳损伤影响显著,其他因素相同情况下,密集运行状态造成的疲劳累积损伤值较一般运行状态时小;桥面退化对横隔梁疲劳损伤影响明显,可造成车辆一般和密集运行状态下的结构疲劳寿命降低60.01%和34.88%.对新桥横向联系设计,建议考虑规范冲击系数和车辆一般运行状态进行疲劳验算;对既有桥梁疲劳评估,建议按实际交通状况考虑随机车辆冲击效应、车流运行状态和桥面退化的影响.     

岩体损伤度的点荷载强度计算及分析

根据现场点荷载强度试验的统计结果和损伤力学原理,提出了一种新的岩体损伤度计算方法,即点荷载强度计算方法.为了验证该方法的可靠性和准确性以及这种方法计算的岩体损伤度与岩体完整性指数之间的关系,进行了一系列理论推导和现场岩体声波测试与实验室岩石声波测试.结果表明:该方法计算的损伤度与岩体完整性系数表现出很好的一致性,并且该方法计算的损伤度与巷道松动圈内岩体损伤度的变化趋势一致.实测值与理论值之间的误差都在7%以内,说明通过该方法计算岩体损伤度有较高的准确性和可靠性.     

人群行走荷载作用下的人致结构振动

以生物力学和交通领域相关研究成果为基础,提出了一种精细化的随机人群荷载作用下的人致结构振动分析方法.首先以生物力学试验数据为基础,拟合了人步行速度与步频之间的关系式;然后借助交通领域的人流集度与人流速度关系模型,结合目前结构领域关于单人荷载模型的研究成果,建立了精细化的随机人群荷载模型,推导了该人群荷载模型下的结构动力平衡方程,并采用自编程序对该方程进行求解,得出了结构的人致响应;最后通过ISO2031标准对文中建立的荷载模型下结构的人致振动舒适性进行评价,并与BS5400荷载模型进行了比较.结果表明,文中所建立的荷载模型较好地考虑了人群荷载对结构的作用,避免了目前人群荷载作用下人致振动分析参数取值的盲目性.