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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

含共线双半无限裂纹的正交异性复合材料板平面弹性问题的解析解

运用广义复变函数方法,通过构造适当的广义保角映射研究了含有共线双半无限裂纹的正交异性复合材料板的平面弹性问题,得出了部分裂纹面上受均匀面内载荷时应力场与两裂纹尖端处应力强度因子的解析解。结果表明:应力场的大小不仅与材料的几何构型及外载荷有关,还与材料的弹性常数有关,这是正交异性复合材料不同于各向同性材料的显著特征;两裂纹尖端处应力强度因子的大小只与材料的几何构型及外载荷有关;当两裂纹尖端的距离趋于无穷大时,所得到的解析解可退化为已有的正交异性复合材料板中半无限裂纹问题的解,通过将其与已有文献中的结果进行对比,验证了本文解析解的正确性。并通过数值算例分析了裂纹面上的受载长度、两裂纹尖端的距离对应力强度因子的影响规律以及两裂纹之间的相互作用。     

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.     

变刚度梁弯曲解析解在桥面板中的应用

针对新型连续窄幅钢箱梁-混凝土组合桥梁,研究了该桥型桥梁的桥面板拉应力控制方法与措施．将该桥型组合桥梁等效为可变刚度的Euler梁,给出任意横向荷载作用下变刚度梁的静力弯曲解析通解,并得到三跨连续阶梯型变刚度梁变形及其内力分布特征．在此基础上,以三跨连续窄幅钢箱梁-混凝土组合桥梁为研究对象,考虑下部钢箱梁与上部混凝土桥面板完全剪力连接,通过改变负弯矩区钢箱梁壁厚、内部充填混凝土的强度、长度与高度等参数,分析得到可有效控制桥面板拉应力的关键因素．结果显示：在负弯矩区段内的钢箱梁内部充填混凝土对控制该区域混凝土桥面板拉应力效果明显,但混凝土强度影响较弱．混凝土桥面板开裂区域随钢箱梁中充填混凝土长度的增加而减少,但桥面板顶部拉应力会随混凝土充填高度的增加呈现先减小后增大的趋势,在充填高度为箱梁内部净高的20 %~30 %左右时效果较为显著,此时经济效益最佳．     

基于能量变分法的钢底板波形钢腹板组合箱梁畸变效应分析

为合理分析钢底板波形钢腹板梯形箱梁的畸变效应,按各板件面内外抗弯刚度不变的原则将全截面等效为钢材,利用圣维南原理考虑顶底板对波形钢腹板的约束作用,修正畸变扇性坐标分布模式,基于能量变分法建立畸变控制微分方程。与已有文献及有限元进行对比分析,并研究腹板俯角和波形钢腹板厚度变化对畸变翘曲正应力的影响。结果表明,本文解析解与文献解及ANSYS解均吻合较好;基于圣维南原理修正后的扇形坐标分布模式更合理;利用本文等效方法亦可分析传统波形钢腹板组合箱梁的畸变效应;腹板俯角的设置有利于减小畸变翘曲正应力;波形钢腹板厚度变化对腹板与底板交接处的畸变翘曲正应力影响显著。     

双主梁钢板组合连续梁桥翼缘有效宽度及几何构造参数分析

双主梁式钢板组合梁桥，在中小跨径桥梁中有良好的应用前景．由于其钢板主梁间距较大，桥面板正应力在桥横向的分布更加不均匀，剪力滞效应显著．结合工程实例，通过有限元分析，计算了双主梁式钢板组合梁桥的桥面板翼缘有效宽度．为保证桥面板作为主梁受压翼缘的利用率，依据我国现行规范，结合有效宽度计算结果推导了双主梁式钢板组合梁桥主梁间距的计算公式，根据统计资料，对桥梁宽跨比及主梁间距与桥面宽度的比值等几何构造参数进行了初步分析，以期为双主梁钢板组合梁桥构造设计提供参考依据．     

Winkler地基上四边自由正交各向异性矩形薄板弯曲问题的辛叠加解

研究Winkler地基上正交各向异性矩形薄板弯曲方程所对应的Hamilton正则方程, 计算出其对边滑支条件下相应Hamilton算子的本征值和本征函数系, 证明该本征函数系的辛正交性以及在Cauchy主值意义下的完备性, 进而给出对边滑支边界条件下Hamilton正则方程的通解, 之后利用辛叠加方法求出Winkler地基上四边自由正交各向异性矩形薄板弯曲问题的解析解. 最后通过两个具体算例验证了所得解析解的正确性.     

On asymmetric bending of functionally graded solid circular plates

Based on the three-dimensional elasticity equations, this paper studies the elastic bending response of a transversely isotropic functionally graded solid circular plate subject to transverse biharmonic forces applied on its top surface. The material properties can continuously and arbitrarily vary along the thickness direction. By virtue of the generalized England’s method, the problem can be solved by determining the expressions of four analytic functions. Expanding the transverse load in Fourier series along the circumferential direction eases the theoretical construction of the four analytic functions for a series of important biharmonic loads. Certain boundary conditions are then used to determine the unknown constants that are involved in the four constructed analytic functions. Numerical examples are presented to validate the proposed method. Then, we scrutinize the asymmetric bending behavior of a transversely isotropic functionally graded solid circular plate with different geometric and material parameters.     

Elasticity solutions for functionally graded plates in cylindrical bending

The plate theory of functionally graded materials suggested by Mian and Spencer is extended to analyze the cylindrical bending problem of a functionally graded rectangular plate subject to uniform load. The expansion formula for displacements is adopted. While keeping the assumption that the material parameters can vary along the thickness direction in an arbitrary fashion, this paper considers orthotropic materials rather than isotropic materials. In addition, the traction-free condition on the top surface is replaced with the condition of uniform load applied on the top surface. The plate theory for the particular case Of cylindrical bending is presented by considering an infinite extent in the y-direction. Effects of boundary conditions and material inhomogeneity on the static response of functionally graded plates are investigated through a numerical example.     

梯度弹性基础上正交异性薄板的弯曲

基于能量法和变分原理,采用双参数弹性基础模型,研究了梯度弹性基础上正交异性薄板在分布载荷作用下的弯曲问题。首先,根据能量法与变分原理,给出了梯度弹性基础上正交异性薄板的弯曲微分平衡方程,并得到了梯度弹性基础刚度系数 与 的计算表达式;进而,假设 向正应力在厚度方向上均匀分布,推导了弹性基础 向位移衰减函数 的计算式。在算例中,通过将梯度弹性基础退化为均质基础,并与Vlazov模型对比,证明了本文理论的正确性;最后,求解了弹性模量呈幂律分布的梯度基础上薄板的挠度分布,分析了基础上下表层材料弹性模量比 与体积分数指数 对薄板挠度分布的影响。