基于LHS-Kriging法的正交异性钢桥面板疲劳可靠度分析

为解决随机车载下正交异性钢桥面板疲劳应力谱有限元求解耗时问题,采用拉丁超立方抽样（LHS）与Kriging方法,建立了快速获取随机车流作用下细节疲劳应力谱的LHS-Kriging有限元替代模型,并将此模型应用于南溪长江大桥正交异性钢桥面板疲劳可靠度计算。结果表明,基于LHS-Kriging方法的有限元替代模型, 不需要经过大量车辆荷载的有限元加载,可直接快速获取细节疲劳应力谱;与传统的响应面法（RSM）相比,Kriging法预测的细节等效疲劳应力更符合有限元计算结果;随着交通量增长率的增大,桥梁的疲劳可靠度显著减少;100年后,当交通量增长率为3%和5%时,正交异性桥面板与纵肋焊接处的细节疲劳可靠度小于2。     

拉压循环载荷下正交异性钢桥面板肋-面板焊缝裂纹扩展分析

采用四步法计算了考虑循环载荷中压应力影响的正交异性钢桥面板的肋-面板焊缝表面裂纹扩展。第一步是基于正交异性钢桥面板的疲劳分析模型,计算肋-面板焊缝处的应力,第二步是通过肋-面板焊缝的三维局部模型,用Schwartz-Neumann交替法计算焊缝表面裂纹的应力强度因子分布,第三步是用二维断裂力学模型和增量塑性损伤模型,计算循环载荷中的压应力对裂纹扩展的影响,第四步是用第二步中的三维裂纹分析结果和第三步中的二维断裂力学模型得到的裂纹扩展公式,计算钢桥面板的肋-面板焊缝表面裂纹扩展。计算结果表明,对应于正交异性钢桥面板肋-面板焊缝处的循环应力,本文所用模型的裂纹尖端反向塑性区导致裂纹扩展率增加50%以上。研究结果为正交异性钢桥面板肋-面板焊缝裂纹的疲劳寿命分析提供了研究基础。     

正交异性钢桥面板疲劳验算时的结构分析

正交异性钢板面板直接承受车辆轮荷载的反复作用，容易疲劳开裂，因此疲劳验算是钢桥面板设计中的一项重要任务，疲劳验算首先要涉及应力分析，本文对钢桥面板在一辆重型货车作用下的应力状况进行了现场试验研究，根据试验结果提出简化实用的结构分析模型，在该模型的基础上，结合应用有限元数值计算，能在理论上很好的掌握钢桥面板的应力状况。     

正交异性钢桥面板肋-面板焊缝疲劳分析

基于焊缝的局部三维断裂力学模型和超重多轴货车的载荷谱,进行正交异性钢桥面板的肋-面板焊缝表面裂纹的疲劳寿命分析。采用Schwartz-Neuman交替法计算肋-面板焊缝处半椭圆表面裂纹的应力强度因子,基于裂尖反向塑性区模型考虑循环载荷中压应力对疲劳裂纹扩展的作用。正交异性钢桥面板的肋-面板焊缝的应力计算结果表明:超载货车作用下肋-面板焊缝处的横向应力峰值和应力幅都有明显增加;相比于标准疲劳荷载车,超载货车作用下肋-面板焊缝处半椭圆表面裂纹的裂纹扩展率增大了6.1倍;对应于正交异性钢桥面板的肋-面板焊缝处的拉-压循环应力,平面应变状态下的裂尖反向塑性区使裂纹扩展率增加了3.7倍;基于所得裂纹扩展速率,本研究给出仅在严重超载的五轴和六轴货车作用下正交异性钢桥面板的肋-面板焊缝疲劳寿命不足20年,远远低于桥梁的设计寿命。因此,考虑超载多轴货车的载荷谱和循环载荷中的压应力对肋-面板焊缝疲劳裂纹扩展的影响十分重要。     

正变异性钢桥面板疲劳验算时的结构分析

正交异性钢板面板直接承受车辆轮荷载的反复作用,容易疲劳开裂,因此疲劳验算是钢桥面板设计中的一项重要任务。疲劳验算首先要涉及应力分析。本文对钢桥面板在一辆重型货车作用下的应力状况进行了现场试验研究,根据试验结果提出了简化实用的结构分析模型。在该模型的基础上,结合应用有限元数值计算,能在理论上很好地掌握钢桥面板的应力状况。     

考虑焊接残余应力的波形钢腹板PC梁关键细节疲劳可靠度研究

焊接残余应力对波形钢腹板细节疲劳寿命的影响不可忽略，本文以头道河大桥为工程背景，基于ABAQUS有限元软件，建立波形钢腹板焊接构件数值模型，提出不同波折角度的波形钢腹板残余应力模型。采用瞬态分析方法，分析6种典型车辆作用下波折角区域焊缝细节的应力时程。在此基础上，构建考虑焊接残余应力和车辆荷载共同作用下的波形钢腹板细节疲劳极限状态方程，讨论不同波折角度和交通增长率对疲劳可靠度指标的影响规律。研究表明，翼缘板-波形钢腹板焊接构件斜边两侧的纵向残余应力呈对称分布，焊接细节转角区域圆弧外侧的纵向残余应力整体高于圆弧内侧，随着波折角度的增加，两侧焊缝附近的纵向残余应力变大；在桥梁设计基准期取100年时，30°波折角度焊缝细节疲劳可靠度是60°波折角度的1.05倍；交通量的线性增长对头道河大桥焊缝细节的疲劳可靠度影响较大，不考虑交通增长率的焊缝细节疲劳可靠度是α=5%的1.84倍。     

基于非齐次复合Poisson过程的正交异性钢桥面板细节疲劳裂纹随机扩展研究

传统的正交异性钢桥面板疲劳损伤评估常采用确定性和可靠性分析方法,忽略了疲劳裂纹扩展的随机性影响,针对这一问题,提出钢桥面板细节疲劳随机扩展分析方法。本文以南溪长江大桥为工程背景,基于长期车辆荷载监测数据,建立了车辆荷载非齐次复合Poisson过程模型。建立钢桥面板有限元模型,采用瞬态分析方法将随机车辆荷载转化成细节疲劳应力,基于线弹性断裂力学理论推导U肋-顶板焊接细节疲劳裂纹扩展时变微分方程,实现宏观关系式疲劳应力幅次数-疲劳损伤至微观表达式应力时间序列-疲劳损伤转换,讨论了车载次序及超载对疲劳裂纹扩展的影响。研究结果表明,非齐次复合泊松过程模型能够较好描述随机车流运营状态,车辆荷载的次序对疲劳裂纹扩展速率的影响不可忽略,重车排序靠前时能够促使疲劳裂纹扩展增速,南溪长江大桥细节点的车辆超载迟滞效应修正系数取值0.804。     

正交异性钢桥面板轮载横向效应的解析分析方法

在分析正交异性钢桥面板构造特点的基础上,将轮载影响范围内的桥面板简化为弹性支撑的平面框架,建立了正交异性钢桥面轮载横向效应的解析分析模型,推导了纵肋弹性支撑刚度和车轮荷载集度等效计算方法,提出了桥面板与U肋交接位置处横向弯曲应力的解析公式,讨论并明确了影响桥面板横向弯曲应力峰值的关键敏感影响因素,并以某钢箱梁为例证明了本文算法的合理性。研究发现,本文方法计算得到桥面板与U肋相交位置的横向应力值与有限元结果相差不超过10%,证实了本文算法的正确性,也为正交异性钢桥面的初步设计提供了极大的方便;正交异性钢桥面板的横向轮载应力随U肋厚度和高度增加而增大,但随顶板厚度和横隔板间距增大而减小;相对而言,顶板内横向拉应力受顶板厚度的影响最为显著,对腹板倾角和U肋腹板厚度的变化并不敏感。     

铺装层正交异性钢桥面板有限元分析

以两种截面形状的纵向加劲肋和三种缺口类型的横隔板进行组合,铺设不同厚度、不同弹性模量的沥青混凝土,建立正交异性闭口加劲钢桥面板有限元实体模型;在钢桥面板纵、横向最不利位置进行加载,用Ansys程序计算分析了带铺装正交异性闭口加劲钢桥面板轮载作用下的力学性能,研究了桥面铺装层弹性模量E1和铺装层厚度,对桥面板力学性能的影响规律.E1的改变对铺装层影响的程度大于对钢桥面结构体系,E1增大,钢桥面板最大主应力减小,沥青表面的最大主应力增大;E1越大,E1变化的影响程度也越大;t对正交异性钢桥面板结构体系和沥青铺装内部受力影响较大,随着t的增大,钢桥面板和沥青表面最大主应力均减小.     

随机车辆冲击作用下简支梁桥疲劳可靠度评估

为了研究考虑随机车辆冲击效应的简支梁桥疲劳安全水平,提出了基于车-桥耦合振动与随机车流的桥梁疲劳应力谱模拟方法,并应用于疲劳可靠度评估。基于某高速公路桥梁动态称重数据建立随机车流模型,采用小样本车辆数据拟合桥梁等效疲劳应力范围的插值响应函数,最后由高斯混合模型拟合大样本随机车流作用于桥梁构件的疲劳应力谱。分析了25m标准跨径简支T梁桥底部普通钢筋的疲劳应力谱,评估了考虑路面劣化与交通量增长的桥梁疲劳可靠度。数值分析结果表明,基于随机车流模拟的疲劳应力谱具有典型的多峰分布特征,包含了超载车辆产生的疲劳应力;车辆对桥梁的冲击效应致使等效疲劳应力放大系数略大于冲击系数,当路面等级为一般时,采用规范冲击系数将低估车辆冲击效应的疲劳损伤;路面劣化与交通量增长均会导致桥梁运营期内的疲劳可靠指标显著降低,由路面劣化导致车辆对简支梁桥的冲击效应不可忽略。     

随机车辆冲击作用下简支梁桥疲劳可靠度评估

为了研究考虑随机车辆冲击效应的简支梁桥疲劳安全水平,提出了基于车-桥耦合振动与随机车流的桥梁疲劳应力谱模拟方法,并应用于疲劳可靠度评估。基于某高速公路桥梁动态称重数据建立随机车流模型,采用小样本车辆数据拟合桥梁等效疲劳应力范围的插值响应函数,最后由高斯混合模型拟合大样本随机车流作用于桥梁构件的疲劳应力谱。分析了25 m标准跨径简支T梁桥底部普通钢筋的疲劳应力谱,评估了考虑路面劣化与交通量增长的桥梁疲劳可靠度。数值分析结果表明,基于随机车流模拟的疲劳应力谱具有典型的多峰分布特征,包含了超载车辆产生的疲劳应力;车辆对桥梁的冲击效应致使等效疲劳应力放大系数略大于冲击系数,当路面等级为一般时,采用规范冲击系数将低估车辆冲击效应的疲劳损伤;路面劣化与交通量增长均会导致桥梁运营期内的疲劳可靠指标显著降低,由路面劣化导致车辆对简支梁桥的冲击效应不可忽略。     

基于实测荷载的铁路钢桁梁桥疲劳可靠性评估

为了对钢桁梁桥疲劳进行评估,引入可靠性理论,提出了基于实测荷载的桥梁疲劳可靠性评估方法。根据某铁路钢桁梁桥实测车辆荷载数据,建立了随机车辆荷载模型。并在考虑车辆荷载随机性的基础上,结合Monte-Carlo法与有限元,分析了钢桁梁桥构件疲劳应力谱,计算了构件疲劳可靠性随时间的变化,并探讨了车辆荷载及荷载效应变异性对构件疲劳可靠性的影响,最后采用β约界法与静力分析法对钢桁梁桥系统疲劳可靠性进行了研究。结果表明,基于随机车辆荷载的构件疲劳应力谱呈现单峰分布;构件疲劳可靠性随运营时间的增加而减小;车辆荷载的增长及荷载效应变异性的增加对构件疲劳可靠性影响较大,当车辆荷载增长率和等效应力变异系数分别增加到5%时,构件疲劳寿命大幅减小;β约界法结合静力分析法可快速确定钢桁梁桥失效模式,桥梁系统疲劳寿命小于构件疲劳寿命。总的来看,基于实测荷载的钢桁梁桥疲劳可靠性评估方法能有效地利用监测数据,对桥梁疲劳评估具有良好的适用性。     

复杂节点冰激疲劳分析的高效谱分析方法

冰激疲劳是威胁渤海湾导管架平台安全的一个重要因素.由于疲劳分析需要考虑所有可能环境工况下的热点应力计算,因而往往是一个复杂而费时的过程,特别对于具有复杂节点的大型结构.本文提出了处理不规则复杂节点的冰激疲劳分析的高效谱分析方法,采用既可以考虑结构整体又可以模拟局部节点细节的混合有限元模型,并结合虚拟激励法来计算热点应力的功率谱密度,在保证精度的前提下大大提高了疲劳分析效率.最后通过一个实际平台的疲劳分析实例表明了方法的可行性和实用性.本文提出的方法也可以应用于受循环载荷作用的其他结构疲劳分析中.     

正交异性光弹性应力分离的边界元法

本文对平面正交各向异性复合材料模型引入正应力线性和及边界上正应力线性和流的概念,提出从应力相容方程出发.用边界元法计算正交异性光弹性模型内任一点的正应力线性和位的方法,再与正交异性光弹性法中所给出的应力同的关系结合,即可进行正交异性光弹性应力的分离.最后,对边界元方法的精度进行了讨论.     

双轴应力状态下正交异性动态光弹性应力——光性定律研究

基于静态下Ｈｙｅｒ和Ｌｉｕ表述的正交异性应力－光性定律，在前文中，提出了正交异性光弹性复合材料的动态应力－光性定律并证明了其在单轴应力状态下的正确性。本文旨在进一步考察在双轴应力状态下正交异性动态应力－光性定律的适用性，采用的方法是对纤维增强光弹性复合材料制作的平板模型施加冲击荷载，加载方向与材料纤维方向分别成０°、９０°及４５°角，同时进行正交异性动态光弹性实验和动态应变测量，另外，对该模型进行相应的各向异性介质时域边界元计算。把动态应变测量推算出的应力分量以及时域边界元计算出的应力分量分别代入正交异性动态应力－光性定律，得到随时间变化的双折射条纹级数历程，将其与正交异性动态光弹性实验的结果进行比较。实验及计算结果表明，在三个加载方向下，由这三种方法得到的双折射条纹级数历程均吻合良好，从而证明了前文提出的正交异性动态应力－光性定律在双轴应力状态下的正确性。     

正交异性钢桥面系的多目标离散优化设计

将大跨径钢桥的正交异性钢桥面板和其上的铺装层作为钢桥面铺装体系整体进行多目标优化设计.取钢桥面铺装体系结构总重量最轻及铺装层使用年限最长两类指标构造目标函数,在此基础上采用功效函数法确定了目标函数的权重系数.应用正交异性钢桥面系力学性能控制指标和疲劳寿命预测公式,建立多目标优化设计的数学模型.引入蚂蚁算法,开发了钢桥面铺装体系结构多目标离散优化设计程序.以国内某大跨径钢桥为对象, 采用多目标优化设计方法, 给出钢桥面铺装体系中各参数的优化值.结果表明, 应用多目标优化设计方法对大跨径钢桥面铺装体系设计是可行的.研究成果可为大跨径钢桥面铺装体系结构的设计提供理论依据.     

云纹干涉法研究复合材料构件的应力强度因子

本文采用贴片云纹干涉法，测试并研究了正交异性板纯弯试件及拉伸试件的应力强度因子。文中给出了复合材料纤维加强方向不同时位移与应力强度因子的关系式，通过测试得出受力模型的全场位移，给出云纹图，进而由裂纹尖端位移场推算出应力强度因子Ｋ１及Ｋ值。试验结果与有限元计算结果吻合良好。     

基于实测数据的扁平钢箱温度梯度疲劳应力谱分析方法

为研究扁平钢箱梁温度疲劳应力谱,以南溪长江大桥悬索桥主梁为研究对象,基于温度传感器长期实测数据,筛选实测数据的日温度极值,运用广义极值模型描述季节极值概率分布并采用极值外推方法得到设计基准期极值模型。引入拉丁超立方抽样(LHS)法对极值模型进行抽样,得到日温度极值样本。结合日温度极值样本和正弦函数模型,构建服役期内关注点的温度时程曲线。基于有限元ANSYS软件平台,分析不同温度梯度下关注点的应力效应,回归温度梯度与疲劳应力的线性关系式,依据温度梯度时程曲线与线性关系式模型,采用雨流计数法得到钢箱梁温度梯度疲劳应力谱。研究表明,模拟抽样生成的温度样本数据符合温度场的季节变化特征,样本概率模型与实测数据概率模型相对吻合。关注点温度梯度疲劳应力谱能够为扁平钢箱梁疲劳寿命设计提供参考。     

基于代理模型的边坡稳定可靠度算法

针对基于极限平衡模式而建立的边坡稳定可靠度功能函数的隐式特征及其导致的可靠度求解等问题,首先利用Kriging插值预测方法,以极限平衡理论的Janbu算法为例,建立了边坡稳定可靠度功能函数的新型显式代理模型;然后将拉丁超立方试验抽样设计方法、Janbu算法、几何可靠度指标计算三者结合起来,研制了该代理模型的求解程序;构建了基于Kriging插值预测的边坡稳定可靠度近似分析新方法。选用某著名边坡算例,将本文方法分析结果与基于蒙特卡洛法的精确解进行了对比,两者的相对误差为5.21%,但前者计算工作量不到后者的万分之一,表明了代理模型方法的实用性和有效性。最后用代理模型方法分析了衡桂高速某段路堑边坡的稳定可靠性,表明本文方法计算结果能够满足工程精度要求,具有一定的应用价值。     

降载勾线法在高强钢疲劳断裂试验中的应用

制作高强钢特征试件,在压、弯应力共同作用下进行疲劳断裂试验;结合疲劳辉纹产生机理,采用降载勾线法在试件断面制造出“海滩状花纹”;利用CAD软件描绘断面形貌并测量裂纹长度,用Newman-Raju理论进一步研究表面裂纹扩展的规律,并与试验值比较.结果表明降载勾线法可以解决高强度钢表面裂纹不易测量及断面难以观测到疲劳辉纹的问题;采用Newman-Raju公式模拟压弯组合应力下表面裂纹扩展形貌是合适的,但由此计算的疲劳寿命偏于保守.另外,当压弯应力比值较小时,计算扩展形貌时压应力可以忽略,而计算疲劳寿命时压应力不可忽略.