大跨桥梁作为在复杂环境下长期服役的工程结构,其中的疲劳损伤累积过程是由多个因素耦合作用且跨尺度演化的过程。为模拟在此主要作用机理下的桥梁结构的疲劳损伤演化过程和剩余寿命,还须进一步发展模拟桥梁结构在服役荷载与极端荷载交互作用下的疲劳损伤跨尺度演化过程的多尺度有限元方法。当疲劳损伤演化处于长期缓慢累积过程时,如在结构服役的初期并且未遭受极端灾害荷载时,为提高疲劳损伤分析的效率,可在增量型平......
2023-08-26
目前,钢桥疲劳损伤有三种分析模型:概率S-N曲线模型、概率断裂力学模型和随机有限元模型。1945年,Miner[1]在对疲劳的累积损伤进行大量试验研究的基础上,提出了Miner线性累积损伤法则,认为变幅荷载作用下结构的损伤与等幅荷载作用下损伤等价,因此可将应力频谱数据与抗力结合用于疲劳损伤分析。疲劳强度S-N曲线表示疲劳寿命与荷载应力之间的关系曲线,是进行钢桥疲劳设计与寿命评估的基础,S-N曲线主要是由大量的等应力幅试验得出。最常用的表达式形式及线性表达式分别为:
Sm·N=C (8.1)
lg S=A+Blg N (8.2)
式中,A、B、C和m均为材料参数。典型的S-N曲线如图8.1所示,在直角坐标系下结构的S-N曲线为一条曲线,在双对数坐标系下S-N曲线接近一条直线。
图8.1 典型的S-N曲线
此后,Fisher[2]通过对多座钢桥疲劳试验数据分析,为各国钢桥疲劳设计规范中的S-N曲线提供了研究基础。美国AASHTO规范[3]、英国BS5400规范[4]、欧洲Eurocode 3规范[5]和中国《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB2005)[6]都采用了在Miner原则基础上的变幅荷载下疲劳应力的修正处理方法。而我国的公路桥梁规范并未对此进行规定,国内研究者往往通过国外规范对钢桥的疲劳寿命进行评估。我国早期对桥梁S-N疲劳曲线的研究主要集中在铁路桥梁方面。成昆铁路建成后,研究者们对该铁路的焊接细节进行了大量的疲劳试验研究[7],并据此制定了铁路钢桥细节容许疲劳应力范围。铁道科学院对芜湖长江大桥的钢桥面板进行了大量的疲劳试验,据此编制了我国铁路桥梁疲劳设计规范。
疲劳可靠度的另一个分析方法是断裂力学方法。Irwin[8]引入了应力强度因子K描述裂纹尖端应力奇异性大小,为线弹性断裂力学(LEFM)计算裂纹扩展寿命奠定了基础。Paris[9]提出了著名的Paris公式,该公式为断裂力学理论在疲劳损伤评估中的应用提供了有利条件。目前,由于疲劳损伤导致钢桥倒塌的事故表明了疲劳裂纹开裂点都起源于含有初始裂纹的地方,因此,基于断裂力学对钢桥疲劳状态评估的关键就是研究初始缺陷条件下裂纹扩展大小。对于钢桥而言,一般均不存在裂纹的萌生阶段,而仅对裂纹的扩展阶段进行研究,因此,采用断裂力学进行疲劳评估的关键就是研究疲劳裂纹的扩展规律并据此估算疲劳寿命。王春生等[10]采用断裂力学方法建立了铆接钢桥的疲劳寿命评估方法,并用于多座桥梁的安全评估中。
大跨度斜拉桥和悬索桥主梁一般采用加劲梁结构,具有较好抗风性能的流线型扁平钢箱梁结构是主要的加劲梁形式。悬索桥钢箱梁的正交异性桥面板在车辆荷载的反复作用下低于极限拉伸强度时会出现疲劳裂纹的萌生和扩展,达到一定程度之后即会突然断裂。桥面板直接承受车轮的反复荷载作用,车载下悬索桥钢箱梁的疲劳问题主要在于钢桥面板。悬索桥钢箱梁的钢桥面板一般采用正交异性桥面板,该桥面板一般是由多个板件(盖板、U肋、模隔板、腹板和纵向加筋肋等)构成的具有多种构造连接形式的焊接结构,其疲劳性能复杂。国内外诸多学者通过试验和数值模拟等方法对该类桥面板进行了研究,取得了一定的研究成果。针对车载下钢箱梁细节疲劳特征,本节将对现有的研究成果进行总结,对S-N曲线、线性累积损伤准则、多国规范的疲劳强度曲线和疲劳应力提取方法进行阐述和讨论,从疲劳强度曲线和疲劳应力分析方法等方面建立车载下钢箱梁细节疲劳分析的数学模型。本章的分析思路如图8.2所示。
图8.2 车载下钢箱梁细节疲劳损伤数学模型的建立流程
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在得到每种车型的SVR回归模型后,即可快速得出每个固定车型样本对应的疲劳应力。图8.13基于UD-SVR方法的随机车流下钢箱梁疲劳应力的分析流程图针对随机车流作用下钢桥面板疲劳应力分析,若采用第四章中整体模型中的加载方式进行分析,由于局部模型中单元数量超过1万个,则需花费极多的运算时间。......
2023-09-19
由300组随机车流样本分析得到的钢箱梁细节日疲劳损伤Dd的概率模型如图8.31、8.32所示。图8.31行车道的细节疲劳损伤概率模型图8.32超车道的细节疲劳损伤概率模型由图8.31和8.32可知,行车道和超车道的日疲劳损伤均呈单峰偏态分布。表8.14南溪长江大桥钢桥面板细节疲劳荷载效应的概率参数高斯混合模型可适用于建立随机车流作用下钢箱梁细节疲劳应力及疲劳损伤的概率模型。等效疲劳应力及日应力循环次数呈多峰分布,疲劳损伤呈单峰的偏态分布。......
2023-09-19
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2023-09-19
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2023-08-26
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2023-09-19
车载下钢桥面板细节疲劳损伤与等效应力幅值和相应的日循环次数有关,前者与车型和轴重有关,而与车速和车距的影响不大;后者与车辆的日通行量有关。本节采用高斯混合模型对细节疲劳应力幅和循环次数的概率分布进行拟合,如图8.27~8.30给出了高斯混合模型的拟合结果。由此可知,高斯混合模型能够较好地模拟随机车流作用下疲劳荷载效应的概率分布特征。......
2023-09-19
结构细节疲劳应力循环的提取是车载作用下钢桥面板疲劳可靠度分析的一个重要步骤。下面将对疲劳应力提取常用方法——雨流计数法进行讨论。雨流计数法又称为塔顶法,是最早由美国的Matsuishi和Endo[15]两位工程师提出的主要应用于工程结构疲劳应力循环提取的方法。图8.3给出了采用雨流计数法基本原理得出的应力循环为1-4-7,2-3-2′和5-6-5′。......
2023-09-19
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