随机疲劳在土木工程中的研究综述

疲劳破坏是桥梁等工程结构的主要失效模式之一,而目前的疲劳研究多集中于常规疲劳荷载,忽略了疲劳荷载的随机性.首先阐述了随机振动过程的定义和特点,介绍了基于时域法和频域法结构随机疲劳寿命的估计方法.通过ANSYS软件,利用功率谱密度(PSD)进行随机振动分析,得到应力的响应功率谱密度.结合三参数S-N曲线公式和Miner线性累积损伤理论,应用多种频域方法进行疲劳寿命估算,并与传统的雨流计数法进行比较,给出了土木工程结构中随机疲劳寿命估计的推荐方法.     

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.     

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。     

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.     

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.     

基于车桥耦合振动的波形钢腹板箱梁体外预应力束疲劳损伤评估

基于ANSYS建立精细化波形钢腹板箱梁桥数值模型,开展体外束疲劳分析。利用MATLAB编制了考虑车辆类型,行车位置、速度、车头距及轴重等因素的随机车流程序。采用雨流计数法计算24小时内随机车流作用下体外束应力等效应力幅以及等效应力循环次数。修正Muller研究结果,提出应力比低于0.035且考虑侧向弯曲磨损作用下的钢绞线S-N公式。利用Miner累积损伤准则并考虑冲击系数的影响,推算波形钢腹板箱梁桥体外预应力束的疲劳损伤度及剩余疲劳使用寿命,同时分析了桥梁跨径对体外束疲劳损伤的影响。研究结果表明,移动荷载对不同位置处体外束应力影响线的大小顺序为：中跨跨中位置＞边跨跨中位置＞中跨1/4跨位置,中跨跨中位置处的体外束应力受到的车辆荷载的影响较大;随机车流对体外束产生的疲劳损伤随跨径增加而减小。     

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。     

基于可靠度的桥梁使用寿命分析

为了对桥梁结构进行寿命分析,基于蒙特卡罗计算方法,运用了ANSYS有限元程序,以时间为基本变量的材料性能参数和荷载变化特征为变量,建立了桥梁结构的抗力与荷载模型,计算出桥梁结构的应力、变形值,再由2条桥梁可靠性判定准则推算出桥梁在不同运营时期的可靠概率,由此可以得出桥梁的时间-可靠概率关系曲线,从而可以从曲线图中读取不同使用期的可靠概率,推算出桥梁的使用寿命和剩余使用寿命。     

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.     

基于ANSYS的TA6V钛合金SENT试样疲劳分析

借助大型通用有限元分析软件ANSYS TA6V钛合金SENT试样在不同应力比和不同应力水平下进行疲劳分析,根据SENT试样缺口处的应力状态分布预测疲劳危险部位,采用局部应力应变法,结合材料循环的S-N曲线,通过弹塑性有限元法将构件上的名义应力谱转换成危险部位的局部应力应变谱,从而根据危险部位的局部应力应变历程采用Miner累积损伤理论对构件的疲劳寿命进行估算,并与疲劳小裂纹试验数据进行比较分析.ANSYS疲劳分析预测的疲劳寿命与试验结果基本接近,体现了有限元软件ANSYS在预测构件疲劳寿命方面的优越性和可靠性;采用ANSYS疲劳分析可有效确定疲劳裂纹易发区域,预测SENT试样在不同应力比和不同应力水平的疲劳寿命,为TA6V钛合金结构疲劳安全设计及其可靠性提供科学依据.     

基于综合分析法的大跨径斜拉桥可靠性分析

鉴于目前复杂桥梁结构可靠性分析方法的局限性,提出一种新的可靠性综合分析方法。在随机有限元法的基础上,结合了几种常用可靠度计算方法的优点,能较方便得出复杂结构极限状态方程的概率分布及数值特征,进而求得相应的结构可靠度指标及失效概率,可为复杂桥梁结构的可靠性分析提供新的思路。以某大跨径斜拉桥为研究对象,采用ANSYS程序建立随机有限元模型,将结构材料特性、荷载及材料强度等参数模拟成随机变量,采用综合分析法对大桥进行可靠性分析。研究结果表明:在承载能力极限状态下,大桥斜拉索最低可靠度指标为5.89,桥塔的可靠度指标为6.37,主梁最低可靠度指标为5.29,均高于规范容许值4.7,相应最大失效概率为1.01×10-8。正常使用极限状态下,大桥跨中挠度可靠度指标高达3.43,也高于容许值,失效概率仅为3.02×10-4。表明大桥在两种极限状态下均具有较高的可靠性。     

桥上纵连板式无砟轨道HRB500钢筋概率S-N曲线研究

为研究桥上纵连板式无砟轨道HRB500钢筋的疲劳特性,对HRB500钢筋标准试件进行对称循环荷载下轴向拉压疲劳试验,得到不同应力水平下HRB500钢筋标准试件的疲劳寿命及其累积失效概率.在此基础上,以相关系数p和Theil不等系数u作为估计精度评价指标,对3种常用的三参数威布尔分布参数估计方法进行对比研究,并用精度最高的灰色预测法对HRB500钢筋标准试件疲劳寿命的威布尔分布参数进行估计,得到不同应力水平下HRB500钢筋疲劳寿命分布函数.最后,基于Kohout-Vêchet方程,建立全应力水平范围内可靠指标为4.2的HRB500钢筋概率S-N曲线.本文的研究成果可为服役期间组合荷载下桥上纵连板式无砟轨道HRB500钢筋疲劳寿命预测模型的建立提供试验依据.     

脉动风和车辆荷载联合作用下中央扣对悬索桥吊索疲劳损伤的影响

以杭瑞洞庭大桥为研究对象,建立设置中央扣和无中央扣的大跨度悬索桥有限元模型,研究中央扣对悬索桥跨中短吊索疲劳损伤的影响。首先,采用谐波合成法生成大桥桥址处的脉动风场,采用Monte Carlo法模拟随机车流样本,基于ANSYS软件建立风-车-桥耦合振动分析模型,分析桥梁结构在脉动风和车辆荷载单独与联合作用下的动力响应;其次,采用雨流计数法统计跨中短吊索的应力时程,得到吊索的应力幅值、应力均值和循环次数;最后,基于Miner损伤线性累计理论分析中央扣对跨中短吊索的等效总应力幅值和疲劳损伤度的影响。研究结果表明：中央扣对悬索桥竖弯刚度影响较小,但会提高悬索桥的纵飘刚度和反对称扭转刚度,显著减小荷载作用下缆梁相对位移和跨中短吊索的弯曲应力;中央扣不会改变脉动风荷载作用下跨中短吊索的缆梁相对运动特性,但会改变车辆荷载作用下跨中短吊索的缆梁相对运动特性,并显著降低缆梁相对位移对车速的敏感性;在脉动风和车辆荷载联合作用下,跨中短吊索的等效总应力幅值小于脉动风和车辆荷载单独作用下等效应力幅值的叠加值;在脉动风和车辆荷载联合作用下,中央扣会显著减小跨中短吊索尤其是靠近中央扣位置处吊索的等效总应力幅值和...     

基于TMD的多跨折形人行吊桥的振动控制研究

文章建立了多跨折形钢结构人行吊桥模型,通过有限元软件ANSYS进行模态分析和人行荷载作用下的动力时程分析。结果表明,该桥在人行荷载作用下振动响应过大,影响结构的正常使用。在吊桥的跨中位置安装调频质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)进行减振控制,通过计算选取最优的TMD参数。对比相同人行荷载作用下安装TMD装置和未安装TMD装置桥梁的动力响应,结果表明TMD能有效减轻吊桥的振动响应。     

圆环式联轴器膜片的疲劳寿命计算

用ANSYS有限元分析软件对金属膜片联轴器中圆环式膜片进行了应力计算,求出了膜片3种静态应力(扭转应力、离心应力、轴向弯曲应力)的平均应力和角向弯曲交变应力,进而应用局部应力 应变法计算了圆环式膜片的疲劳寿命,并分析了影响膜片疲劳寿命的因素.     

哈大高速铁路钢箱叠合拱桥拱脚局部应力分析

对我国高速铁路上的第一座大跨钢箱叠合拱桥哈大高速铁路138 m新开河桥进行了拱脚结构局部应力分析.根据圣维南原理,运用ANSYS有限元计算软件,利用壳单元和梁单元建立了精细的系梁-拱肋-吊杆-横梁的空间计算模型,根据结构的实际情况模拟边界及荷载,对桥梁结构在恒载及客运专线活载作用下拱脚位置的应力分布情况进行了分析.计算结果表明:新开河桥拱脚的支座顶板部位和钢箱系梁变截面位置的应力较大,虽然未出现超过材料屈服应力的现象,但是为了保证桥梁使用的安全,在设计和施工中应加以重视.     

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.     

金属膜片联轴器圆环式膜片的应力分析

用ANSYS有限元程序对金属膜片联轴器中圆环式膜片进行了应力分析,给出了膜片中存在的4种应力的计算结果,并分析比较了4种应力对膜片疲劳寿命的影响.其结果对膜片疲劳寿命的计算提供了参考.     

基于ANSYS的桥梁强迫振动分析

针对桥梁震动分析中的桥梁(主要指公路桥)在移动车辆荷载作用下震动的古典问题,运用有限元方法并借助大型有限元分析软件ANSYS中的二次开发语言APDL进行分析.分析了匀速常量力作用下和匀速移动简谐力作用下的情况,仿真结果说明用ANSYS分析的结果与经典桥梁震动分析的理论近似解吻合很好.讨论车辆质量与桥梁质量相比较小的情况,忽略了移动荷载的质量,避免了变系数微分方程求解的困难.     

强紫外线下超高分子量聚乙烯薄板材料的力学性能研究

为了预测和防止高海拔地区超高分子量聚乙烯材料在强紫外线作用下发生老化从而影响工程正常使用和造成严重安全事故,对暴露在室外环境下极容易受到紫外线作用而发生老化的高分子聚乙烯材料进行常温强紫外线人工环境下的老化处理。老化处理后的试样采用扫描透射电镜(EMS)分析其表面微观结构;并用拉伸试验机进行单轴拉伸,分析应力(σ)-应变(ε)曲线、拉伸强度(σ_b)、拉伸弹性模量(E)、断后伸长率(δ_n)及最大力;用ANSYS软件对不考虑温度影响下的试样进行交变荷载条件下的疲劳寿命分析。结果表明:随着强紫外线老化时间增加,应力(σ)-应变(ε)曲线无明显的屈服阶段,拉伸强度、拉伸弹性模量、断后伸长率及最大力的变化是先下降然后逐步趋于稳定,而强紫外线照射时长对疲劳寿命影响不明显。该结果为超高分子量聚乙烯薄板的工程安全应用提供参考。