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。     

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。     

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。     

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。     

锈蚀疲劳耦合作用下钢筋混凝土梁性能退化试验

锈蚀疲劳的耦合作用会显著降低钢筋混凝土结构的使用寿命。为模拟锈蚀疲劳耦合作用对钢筋混凝土构件抗弯性能的影响,开展了三组不同情况下钢筋混凝土梁的疲劳试验:预先锈蚀后疲劳试验、盐溶液环境中疲劳试验和盐溶液通电环境中疲劳试验。研究了钢筋混凝土梁在疲劳荷载下的荷载-挠度关系、混凝土裂缝的发展规律,对比了不同试验环境下钢筋混凝土梁的疲劳寿命及破坏形态。试验结果表明,疲劳荷载下混凝土裂缝发展规律与环境相关,盐溶液中梁混凝土斜裂缝水平倾角较小,盐溶液通电梁混凝土裂缝扩展高度明显增大;锈蚀疲劳耦合作用加速了钢筋的疲劳裂纹扩展速率,使得混凝土疲劳模量下降,导致梁的刚度退化,疲劳寿命显著降低,且腐蚀环境作用越强,影响越显著;三种试验环境下钢筋混凝土梁的破坏形式未发生改变,均为主筋发生疲劳脆性断裂,在疲劳寿命简化分析中可将受力钢筋作为研究主体。本试验是对已有预锈蚀梁疲劳试验的补充和延伸,可为日后混凝土桥梁的腐蚀疲劳耦合作用建模提供试验基础。     

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。     

温度-随机载荷下CFL加固RC梁疲劳性能的实验研究

考虑亚热带地区公路桥梁的服役环境温度与车辆载荷的作用效应,本文以碳纤维薄板(CFL)加固钢筋混凝土(RC)桥梁结构为研究对象,利用本课题组构建的实验平台,提出了温度与车辆随机载荷耦合作用下CFL加固RC梁的疲劳实验方法。在3个温度和3个载荷水平下实施了温度-随机载荷耦合作用下的三点弯曲疲劳实验,初步探讨了温度-随机载荷作用下加固梁的疲劳破坏机理,并提出了温度-随机载荷耦合下加固梁疲劳寿命的半经验公式。     

一种新的多轴非比例低周疲劳寿命预测临界面模型

工程结构在服役过程中往往承受着复杂的多轴非比例循环荷载,在长期动力载荷作用下结构构件的失效主要为多轴非比例疲劳破坏. 文中基于圆管薄壁试件在拉-扭复合加载情况下的多轴疲劳试验结果,对比了广泛讨论的Kandil-Brown-Miller (KBM) 模型和Fatemi-Socie (FS) 模型对多轴非比例疲劳寿命的预测能力,分析了非比例加载条件引起多轴疲劳附加损伤的原因;针对FS 模型对不存在非比例附加强化的材料多轴疲劳寿命预测的不足,提出了一个能考虑非比例加载路径变化和材料附加强化效应双重作用的非比例影响因子,参照FS 准则提出了一种新的多轴非比例低周疲劳寿命预测临界面模型. 利用5 种材料的多轴非比例疲劳试验数据对该模型进行了试验验证,结果表明:采用文中提出的临界面模型预测的多轴非比例疲劳寿命与试验结果符合较好,预测精度优于FS 模型;同时,该模型对不存在非比例附加强化的材料的多轴疲劳寿命预测表现出更好的适用性,且能有效的提高不同类型材料的多轴非比例疲劳寿命预测精度.      

大气环境下的钢筋混凝土桥梁时变可靠度分析

为了探究钢筋混凝土桥梁抗力退化对桥梁可靠性能的影响,综合考虑一般大气环境下混凝土强度、钢筋强度、混凝土与钢筋黏结性能的降低,建立普通钢筋混凝土桥梁的抗力退化时变模型,分析规范车辆荷载作用的桥梁时变可靠度。研究结果表明,(1)一般大气环境下,桥梁抗力随着服役时间的增加而减小,其中钢筋强度退化对桥梁抗力的影响最大,其次是钢筋与混凝土黏结性能降低,而混凝土强度退化对桥梁抗力的影响相对较小; (2)桥梁可靠指标随着服役时间的增加而减小,密集行车占比越大,桥梁承载能力失效的概率就越大;非平稳车载作用下的桥梁可靠指标小于平稳车载,桥梁需要维修补强的时间比平稳车载提前; (3)多梁式简支梁桥在建造时应该提高边梁的安全储备,在管养时可以采取限载措施进行干预。     

基于SWT方法的钢绞线索微动疲劳特性分析

为得到钢绞线索丝间接触区的应力场分布并预测微动疲劳裂纹萌生位置和微动疲劳寿命,本文利用参数化方法建立了精细化的钢绞线拉索有限元模型,包括整索模型和不同层丝间接触区域的局部精细化子模型.分析了钢绞线索在两种交变荷载工况下的应力场变化情况,并基于多轴疲劳SWT(Smith-Watson-Topper)临界平面法进行了疲劳特性分析和疲劳寿命预测.主要结论如下:钢绞线索内接触区边缘处的微动幅值较大,中心处几乎没有相对滑动,微动疲劳的初始裂纹萌生点位于接触区域边缘;经不同区域子模型分析比较,在轴向循环荷载作用下,外层钢丝的接触区域比内层钢丝更易发生微动疲劳损伤;在横向位移循环荷载作用下,同层钢丝因位置角度不同而产生了较大的疲劳特性差异,且相比轴向循环拉伸,该工况下最不利单丝的微动疲劳寿命更低;与非接触区域相比,接触区的疲劳寿命大幅降低,微动现象对钢绞线索的抗疲劳性能有明显降低作用.     

基于桥面不平顺导致跳车工况下的车桥相互作用分析

以双轴四自由度简构车辆和简支梁桥为对象,综合考虑车辆前后车轮与桥面贴合和分离的情况,建立以车轮与桥面位移相容条件为判别依据的跳车分析模型。当车轮、桥体、桥面不平度三者的位移矢量和小于零时判定车轮与桥面分离,而车辆将在重力作用下重新回到桥面与桥梁产生二次接触,从而影响桥梁位移响应。本文采用Matlab自编程序求解耦合模型,重点研究在车辆速度、桥面周期不平顺和随机不平顺三种因素的影响下考虑跳车情况后的桥梁位移动态响应。文中数值算例表明:当桥面平顺时,跳车工况下桥梁位移曲线与车桥密贴结果高度一致,差值小于3%,证明了该判别条件的准确性;而当桥面不平顺时,跳车工况桥梁竖向位移较密贴工况有10%左右的增幅,且跳车工况下的桥梁位移曲线波动幅值随桥面等级的降低而增大。故在车桥耦合动力学分析中,当桥面存在不平顺时应充分考虑桥面跳车带来的影响。     

基于小波分析和变异系数的简支梁桥损伤识别

为了提高对桥梁结构损伤位置的识别精度及准确性,利用应变对结构局部损伤敏感的特性,提出了基于小波分析和变异系数的简支梁桥损伤识别新方法。在移动荷载作用下,对简支梁桥动态应变响应进行二进离散小波变换,将叠加在一起的多阶模态响应进行分离;根据差分法和统计参数,构建出低阶应变响应的变异系数双重曲率(Double Curvature of Variation Coefficient,DCVC)损伤指标。以简支梁桥作为研究对象,将所提方法通过有限元数值模拟和模型实验给予验证。研究结果表明:该方法成功摆脱了对健康结构响应数据的依赖,可以准确识别出简支梁桥不同位置不同程度的单处、多处损伤,且受移动荷载行驶速度的影响较小,在简支梁桥损伤识别研究中具有很好的识别效果。     

柔性路面的各向异性疲劳损伤数值模型研究

根据柔性路面在交通荷载作用下的力学响应特点,推导了一个各向异性疲劳损伤本构方程,并基于ABAQUS软件及其二次开发平台,建立了考虑各向异性疲劳损伤的路面结构有限元模型。通过建立的模型计算车辆作用下路面结构的疲劳寿命,其结果与试验数据吻合良好,误差最高仅为3.8%,证明该模型精确可靠。最后,分析了疲劳损伤的演化规律,以及路面结构参数对疲劳性能的影响。结果表明,路面纵向疲劳损伤演化速率比横向大得多,随着车辆循环作用,路面结构的各向异性逐渐增强,进而又加剧疲劳损伤的演化。另外,沥青层越厚、土基弹性模量越大,路面疲劳损伤演化得越慢;而当土基较弱、沥青层较薄时,增加级配碎石层厚度可以显著延缓柔性路面的疲劳开裂。     

基于能量耗散分析的混凝土随机疲劳损伤模型

基于微-细观随机断裂模型(MMSF)发展了一类混凝土随机疲劳损伤模型。该模型将MMSF中的微弹簧视为一能量耗散单元并考察了其跨尺度的能量耗散过程。在纳观尺度,引入速率过程理论描述裂纹的扩展速度,并基于裂纹层级模型和自相似假定完成从纳观尺度到微观尺度的过渡。由此建立了微弹簧在疲劳荷载作用下的多尺度耗能描述。此外,为了考虑疲劳加载中混凝土多条裂纹的相互影响,引入了包含损伤扩展效应和损伤愈合效应的疲劳损伤因子来修正耗能表达。通过与相关试验的对比,证明了该模型能反映疲劳荷载作用下混凝土的主要力学行为,如疲劳损伤三阶段特点、疲劳寿命的离散性和疲劳寿命随加载频率的变化趋势等。     

金属材料多轴非比例低周疲劳寿命预测概述

工程中的大多数构件承受着比例或非比例多轴疲劳荷载作用,而非比例强化效应会大大影响其多轴疲劳寿命。精确预测金属材料在多轴非比例荷载下的低周疲劳寿命需要同时考虑等向强化、随动强化及非比例强化效应下的材料本构关系,并在临界面上计算出相应应力应变值,根据不同疲劳失效形式选取不同类型的失效模型来确定疲劳寿命．本文针对这一过程中重要知识点进行阐述,并介绍了相关模型与理论．     

毛勒式桥梁伸缩装置动力特性分析

基于对毛勒伸缩装置相关元件力学性能的测试结果,建立了有限元模型,模拟了不同轴重和车速的时程荷载作用,分析了桥梁伸缩装置的应力历程,并给出了其随车速的变化规律。同时针对桥梁实际运营过程中伸缩装置相关构件易损伤失效的特点,对比分析了伸缩装置相关元件损伤后的动力响应特性。结果表明:车辆通过伸缩装置时冲击效应大小与速度没有明显递增关系,但会影响其疲劳寿命;在横梁橡胶支承刚度损伤、脱落或中梁、横梁焊接支撑块失效的情况下,冲击效应将明显增加,且疲劳使用寿命降低。本文研究对模数式伸缩装置的设计、研究和养护具有一定的参考意义。     

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。     

车-钢桥面铺装耦合振动系统动力效应分析

为研究行车车速、桥面的不平度和桥面损伤对车-桥面铺装耦合振动系统动力效应的影响规律,将汽车等效为两自由度五参数模型,将正交异性桥面铺装等效为梁-板结构.在车辆与桥面铺装接触点采用接触力和位移协调的条件,建立车辆和桥面铺装动力耦合系统模型和振动方程组.利用模态分析法以及时变力学系统的求解方法-状态空间法,借助大型有限元软件ANSYS和MATLAB编程技术,求解车-钢桥面铺装耦合振动系统的动力响应.分析由桥面铺装的不平度、车速以及桥面损伤等引起的行驶车辆的随机动荷载对桥面铺装冲击系数的影响,并考虑桥面的不平整将车辆荷载简化成沿铺装层表面的随机动荷载和车辆荷载简化成沿铺装层表面纵向移动的恒载两种加载方式的分析结果进行比较.研究结果表明,在进行铺装层结构设计计算以及复合梁疲劳试验时,可考虑冲击系数为1.5.     

微观加工形貌对三维线接触Stribeck曲线与疲劳寿命的影响

齿轮的传递效率和寿命与齿面成形方式紧密相关,针对圆柱齿轮常见的剃削、磨削、珩磨、抛光四种加工方式,采用三维线接触混合润滑分析模型,结合Zaretsky接触疲劳寿命计算方法,系统分析了高速到极低速工况下,界面摩擦系数对接触疲劳寿命的影响,以及不同微观加工形貌作用下三维线接触Stribeck曲线与疲劳寿命的变化规律.研究表明:全膜润滑状态下,界面摩擦对疲劳寿命的影响较小,各类组合表面的摩擦系数基本一致,但各组合表面疲劳寿命差异较大,抛光组合表面的疲劳寿命最优;在混合润滑状态下,各类组合表面的摩擦系数变化差异明显,而相对疲劳寿命差异明显减小,其中,磨削组合表面摩擦系数较大,抛光组合表面摩擦系数最小;值得注意的是,研究表明界面摩擦系数和疲劳寿命不是表面粗糙度的简单函数,不随界面粗糙度值的大小变化而单调变化.     

斜齿轮弹流润滑下的接触疲劳寿命计算

经典齿轮接触疲劳强度理论是基于光滑表面赫兹干接触理论,而实际齿面具有粗糙度,且啮合轮齿多数处于混合润滑状态.本文基于齿轮润滑接触分析建立了渐开线斜齿轮的接触疲劳寿命计算模型.模型由齿轮润滑接触分析模型和基于次表面应力分布的疲劳寿命模型组成.首先将斜齿圆柱齿轮一对齿的瞬时啮合等效为两反向圆锥的接触问题,建立了齿轮的有限长弹流润滑计算模型,考虑了齿轮啮合周期内瞬时载荷、接触线长、卷吸速度等因素的影响,基于统一雷诺方程方法求得啮合齿对间的润滑压力和油膜厚度分布;在此基础上,计算轮齿接触区次表面的米歇斯应力分布,根据Zaretsky接触疲劳寿命计算模型,对齿轮组的接触疲劳寿命进行模拟预测.针对不同工况参数下接触疲劳寿命计算表明:润滑油黏度、轮齿表面粗糙度等因素对齿面接触疲劳寿命均有显著的影响.