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。     

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。     

16MnR钢循环蠕变-疲劳交互作用损伤力学模型

应力控制模式下出现的循环蠕变现象,将和疲劳一起加速材料的损伤.在进行损伤评估的时候,需兼顾循环蠕变和疲劳的影响.在循环蠕变本构模型、延性耗散理论的基础上,建立循环蠕变疲劳交互作用损伤力学模型.进行16 MnR钢420℃下应力控制的脉动循环试验,选取一种新的损伤参量“等效模量”来描述循环蠕变和疲劳的综合作用,得到16 MnR钢420℃脉动循环时循环蠕变疲劳交互作用下的损伤演化估算表达式和寿命预测方法.通过试验验证,寿命预测结果与试验结果吻合较好.     

磨损加疲劳载荷下的协同疲劳行为

自行研制的摩擦磨损装置与轴向疲劳试验机相互配合,实现GDL-1钢试样在疲劳应力(240~280 MPa)及接触载荷(30 N)作用下摩擦磨损疲劳试验.通过对磨损层厚度的分析,研究试样承受摩擦磨损载荷及拉压疲劳载荷双重作用下的疲劳寿命变化,用SEM扫描电镜观察分析次表层内疲劳裂纹扩展的演变过程,并采用Hertz线弹性理论和Smith接触理论计算分析摩擦表面以下切应力值.结果表明:在磨损疲劳载荷作用下,形变层的流变作用将显著影响疲劳小裂纹扩展方向,渐趋于切应力方向,从而提高试样疲劳寿命.在此基础上,建立了在摩擦磨损疲劳载荷下疲劳裂纹扩展模型.此外,计算可知在距表层深度0.03 mm处切应力最大,0.18 mm以内材料产生塑性变形,导致形变层的形成.     

地震频率对Q235钢结构材料超低周疲劳行为的影响

研究了两种地震极限频率对于Q235钢结构材料的超低周疲劳性能的影响。采用横向应变控制方法,分别保持频率1Hz、3Hz恒定,在岛津电液伺服疲劳试验机上开展了试验钢的超低周疲劳试验。研究发现,循环应力响应特征,循环应力-应变关系,以及疲劳寿命均与频率相关,且在较高频率下,试验材料出现了二次循环硬化现象。分别建立了试验钢在两种频率下基于塑性应变幅值及应变速率的疲劳寿命预测公式。两种寿命预测公式均与试验结果吻合良好。通过电镜扫描(SEM),对比分析了不同频率下试验钢超低周疲劳下的微观断裂机理。     

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。     

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。     

Fatigue life evaluation by weight functions for orthotropic bridge decks

This paper is concerned with the prediction of fatigue crack propagation in welded orthotropic decks for road and railway steel bridges. The analysis makes use of a weight function (WF), that provides effective evaluation of the stress intensity factor (SIF) for any crack length and loading condition. The WF was determined by a hybrid (numerical/analytical) technique and verified with numerical results. The fatigue life were estimated for different initial crack lengths and loading cycles. Endurance limits were obtained to establish in-service inspection schedule of the structure. The effect of weldment residual stress on the fatigue life was also analyzed. It was shown that the WF technique provides an expedient evaluation of these effects, also accounting for non-linear (contact) phenomena.     

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。     

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.     

Determination of effective stress range and its application on fatigue stress assessment of existing bridges

This paper presents a unified approach on determination of the effective stress range based on equivalent law of strain energy and fatigue damage model, so as to provide an efficient approach for accurately assessing effective fatigue stress of existing bridge under traffic loading. A new theoretical framework to relate variable- and constant-amplitude fatigue is proposed in this paper. Different formulation for calculating effective stress range can be derived by the proposed theory, which include the effective stress range by the root mean square, by Miner's law and a new effective stress range based on the nonlinear fatigue damage model. Comparison of the theoretical results of fatigue damage under the effective stress range of the variable-amplitude stress spectrum and experimental data of fatigue damage under realistic traffic loading has confirmed the validity of the proposed theory. As a way to relate variable-amplitude fatigue data with constant-amplitude data, the effective stress range provides the most convenient way for evaluating fatigue damage under variable-amplitude loading. The proposed theory is then applied to provide an efficient approach for accurately assessing fatigue damage of existing bridges under traffic loading, in which online strain history data measured from bridge structural health monitoring system is available. The proposed approach is applied to evaluate the effective stress range for the purpose of the fatigue analysis of a deck section of a long-span steel bridge––the Tsing Ma Bridge in Hong Kong.     

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。     

车载作用下大跨度悬索桥钢箱梁受力状态的实验研究

钢箱梁结构在现代大跨度悬索桥体系中较多采用.作为最主要的组成部分之一,其在车辆荷载作用下的受力状态倍受关注.然而目前通过有限元计算还难以获得钢箱梁各细部构造的精确应力值.本文以润扬长江公路大桥南汊悬索桥为背景,介绍了该桥静动载试验中的车辆加载工况和钢箱梁测试截面应力测点的布置等.利用该桥钢箱梁实测应力结果,分析了多种车辆荷载工况下大跨度悬索桥钢箱梁的应力水平及其分布,同时进行了钢箱梁各测试截面受力状态的对比研究,在此基础上总结了大跨度悬索桥钢箱梁结构在车载作用下的受力特点.研究结论为同类钢箱梁的受力状态分析提供了参考依据.