基于車橋耦合振動(dòng)的橋梁動(dòng)應(yīng)力分析及疲勞性能評(píng)估.pdf

1、疲勞是鋼材的固有問題。美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)表明，80-90％的鋼結(jié)構(gòu)失效與疲勞有關(guān)。鋼橋大量存在于我國(guó)公、鐵路交通，隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)，這些橋梁的疲勞問題逐漸凸顯。因此，對(duì)既有橋梁的疲勞損傷及剩余使用壽命進(jìn)行有效評(píng)估有助于保證它們的服役安全，進(jìn)而確保交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。另一方面，我國(guó)鐵路正在實(shí)行“高速化、重載化”的發(fā)展策略。迄今為止，鐵路部門已實(shí)行了六次大面積提速，并建成了全世界最大的高速鐵路運(yùn)營(yíng)網(wǎng)。隨著列車速度的提高、軸重及運(yùn)

2、量的增大，列車與橋梁的耦合動(dòng)力效應(yīng)更加顯著，同時(shí)也加劇了橋梁的疲勞荷載效應(yīng)，進(jìn)一步縮短了它們的使用壽命。
　　疲勞應(yīng)力是進(jìn)行疲勞損傷和使用壽命評(píng)估的基礎(chǔ)，對(duì)于鐵路橋梁，準(zhǔn)確計(jì)算橋梁構(gòu)件在列車作用下的應(yīng)力響應(yīng)對(duì)于提高疲勞評(píng)估結(jié)果的可靠性具有重要意義。為考慮列車與橋梁之間越來(lái)越顯著的動(dòng)力相互作用，有必要建立較以往更為精細(xì)的分析模型以準(zhǔn)確求解橋梁構(gòu)件的疲勞荷載效應(yīng)。為此，本文建立了基于車橋耦合振動(dòng)的橋梁動(dòng)應(yīng)力分析方法和疲勞性能評(píng)估框架，

3、探討了列車速度、軌道不平順、橫向振動(dòng)、交通演變等對(duì)橋梁疲勞應(yīng)力、剩余使用壽命及疲勞可靠性的影響。主要工作及創(chuàng)新之處如下:
　　(1)移動(dòng)列車荷載引起的橋梁共振和消振機(jī)理以及二者之間的關(guān)系
　　將列車荷載簡(jiǎn)化為一系列移動(dòng)集中力，推導(dǎo)以自由振動(dòng)表達(dá)的簡(jiǎn)支梁振動(dòng)響應(yīng)解析表達(dá)式。提取共振及二類消振效應(yīng)的臨界車速計(jì)算公式，其中第二類消振現(xiàn)象為首次揭示。較徹底地闡明了共振與消振的發(fā)生機(jī)理，并研究了二者之間的關(guān)系，提出了新的共振消失發(fā)生條

4、件的數(shù)學(xué)表達(dá)式。以高速鐵路簡(jiǎn)支梁橋作為算例，對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證。計(jì)算車速一動(dòng)力系數(shù)曲線，闡述了列車速度對(duì)橋梁動(dòng)力效應(yīng)的影響，為本文后續(xù)研究?jī)?nèi)容提供參考和基礎(chǔ)。
　　(2)基于車橋耦合動(dòng)力分析的橋梁應(yīng)力計(jì)算方法
　　采用多體動(dòng)力學(xué)理論建立三維車輛模型，以有限元法建立橋梁模型并通過(guò)直接剛度法建立其運(yùn)動(dòng)方程。結(jié)合輪軌相互作用模型，建立車橋系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程并求解得到橋梁節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)彈性有限元理論，進(jìn)一步求解橋梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)?/p>

5、應(yīng)力。所提出的基于車橋耦合振動(dòng)的應(yīng)力計(jì)算方法充分考慮了列車與橋梁之間的動(dòng)力相互作用，相比傳統(tǒng)方法能夠更加準(zhǔn)確地計(jì)算列車作用下橋梁的動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)。以一座80 rn客運(yùn)專線鋼桁梁橋?yàn)槔?，采用所提出的方法分析了橋梁桿件的應(yīng)力響應(yīng)，并探討了不同類型桿件的應(yīng)力放大系數(shù)。
　　(3)列車作用下橋梁應(yīng)力響應(yīng)計(jì)算方法的比較及試驗(yàn)驗(yàn)證
　　利用朔黃鐵路南排河混凝土T梁橋及京通鐵路白河大橋的實(shí)測(cè)應(yīng)力（應(yīng)變）數(shù)據(jù)對(duì)本文基于車橋耦合振動(dòng)的方法進(jìn)行了驗(yàn)

6、證，并與既有的靜力影響線法及移動(dòng)集中力法進(jìn)行了比較。采用上述三種方法計(jì)算不同行車速度下橋梁應(yīng)變響應(yīng)，分析了車速對(duì)動(dòng)應(yīng)變的影響。將代表不同軌道條件的不平順樣本作為車橋系統(tǒng)激勵(lì)，計(jì)算橋梁動(dòng)應(yīng)變，研究了軌道不平順對(duì)應(yīng)力響應(yīng)的影響。對(duì)比考慮與不考慮橫向振動(dòng)的桿件應(yīng)力時(shí)程，探討了列車橫向加載及橋梁橫向振動(dòng)對(duì)應(yīng)力響應(yīng)的影響。闡述了本文所提方法、靜力法、移動(dòng)力法的精度及適用性，進(jìn)而為它們的工程應(yīng)用提供參考。
　　(4)考慮車橋耦合振動(dòng)效應(yīng)的橋梁

7、疲勞損傷與剩余壽命評(píng)估
　　將車橋耦合振動(dòng)理論引入橋梁疲勞分析，建立了考慮列車與橋梁之間動(dòng)力相互作用的橋梁疲勞損傷及剩余壽命評(píng)估框架，為既有橋梁的疲勞評(píng)估提供了新的方法和思路。采用所提出的基于車橋耦合振動(dòng)的方法計(jì)算橋梁構(gòu)件疲勞應(yīng)力，進(jìn)而確定其荷載效應(yīng)。建立以等效應(yīng)力幅表示且適用于單、雙斜率S-N曲線的疲勞損傷程度統(tǒng)一計(jì)算公式，結(jié)合橋梁歷史交通荷載，進(jìn)一步估算橋梁剩余使用壽命。以京通鐵路白河大橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)其進(jìn)行疲勞損傷分析，預(yù)測(cè)

8、關(guān)鍵桿件的使用壽命，并研究列車速度、軌道平順性及橫向振動(dòng)對(duì)橋梁疲勞壽命的影響，揭示了車速與軌道不平順對(duì)疲勞性能影響的耦聯(lián)效應(yīng)。
　　(5)基于車橋系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)的橋梁疲勞可靠性分析
　　提出了一種基于車橋系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)分析的橋梁疲勞可靠度評(píng)估的新方法。選取對(duì)疲勞累積損傷有顯著影響的列車速度及軌道不平順為基本隨機(jī)變量，對(duì)車橋系統(tǒng)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，進(jìn)而確定疲勞構(gòu)件等效應(yīng)力幅及其循環(huán)次數(shù)的概率模型。采用S-N曲線法建立疲勞極限狀態(tài)函數(shù)