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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

Accumulative damage near crack tip for welded bridge members: fatigue life determination

The behavior of crack growth for the fatigue damage accumulation near tip where damage is most severe is analyzed. Fatigue life is assessed for the welded members of bridges under traffic loading. Two parts are considered. They consist of the development of a fatigue damage accumulation model for welded bridge members and a method for calculating the stress intensity factor that is needed for evaluating the fatigue life of welded bridge members with cracks. Based on the concept of continuum damage accumulation and fatigue and fatigue crack growth relations, results are obtained to describe the relationship between the cracking count rate and the effective stress intensity factor. Crack growth and fatigue life are found for two types of welded members assisted by using fatigue experimental results. The stress intensity factors are modified by correcting for the geometric shape of the welded members in order to reflect the influence of the weldment and geometry. This is accomplished via the stress intensity factor. The calculated and measured fatigue lives were generally in good agreement for the initial cracking conditions of two types of welded members widely used in steel bridges.     

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。     

自增强厚壁圆筒疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析

本文提供了自增强厚壁圆筒疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析的方法和公式,自增强残余应力用符合厚壁筒用钢具有强化和包辛格效应实际性能推得的公式进行计算,残余应力对应的应力强度因子的计算采用了有限元法,得到了工作内压与自增强残余应力共同作用下的厚壁筒应力强度因子公式,通过实验测定了厚壁筒用钢的断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率等性能。     

金属成型过程接触分析的有限元法

以往通常将加工好的成型构件实物进行疲劳试验，以检验构件设计的合理性。这种实物试验方法在构件设计阶段，显得费时费力，成本很高，并且带有一定的盲目性。本文用大变形条件下的弹塑性有限元接触法模拟了某钢管构件的挤压成型过程，在算得残余应力的基础上，进一步分析了构件服役时在交变载荷作用下的应力，研究构件的最危险点及其应力谱。在算得危险点残余应力以及应力谱的基础上，再结合材料Goodman疲劳极限线图，对成型加工构件服役后的疲劳强度进行校核，有效提高产品的安全可靠度。该方法为成型加工构件的抗疲劳断裂设计提供了方便快捷的手段，降低了成型加工构件设计阶段及产品研发阶段的成本。     

全非平稳地震作用下地下空间结构随机反应及可靠度分析

为研究全非平稳地震作用下地下空间结构的随机地震反应特征及可靠度分析方法，本文基于非均匀调制演变随机过程，建立了一种同时考虑强度非平稳和频率非平稳的全非平稳随机地震动输入功率谱分析模型；利用频响函数和脉冲响应函数间的傅里叶变换关系，推导出了适用于地下空间结构随机反应分析的响应功率谱计算表达式，可结合有限元方法对全非平稳地震作用下地下空间结构进行随机反应分析．基于穿越过程为泊松过程假定，采用分部积分方法，进一步推导出了适用于首次超越破坏可靠度计算的互相关函数解析表达式．然后，本文以上海某两层三跨地铁车站为工程背景，建立土-地铁车站结构相互作用体系有限元模型，对全非平稳地震作用下地铁车站结构进行了随机反应分析和中柱可靠度分析．结果表明：在非均匀调制演变功率谱作用下，结构的响应功率谱也具有明显的演变特征；利用文中给出的互相关函数计算公式，可避开调制函数的数值微分，提高计算精度．