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原文传递基于车桥耦合振动的钢-混凝土组合梁桥疲劳研究

论文题名：	基于车桥耦合振动的钢-混凝土组合梁桥疲劳研究
关键词：	钢-混凝土组合梁桥;车桥耦合振动;疲劳损伤累积;可靠度分析;疲劳设计
摘要：	车辆荷载是公路桥梁疲劳损伤和破坏的主要原因。实践表明，在车辆荷载长期反复的作用下，桥梁钢构件会萌生疲劳裂纹并不断扩展，严重时会导致疲劳断裂。桥梁钢构件的疲劳寿命主要受其承受的应力幅大小的影响。准确获取车辆荷载作用下桥梁钢构件的应力幅值是准确对其进行疲劳设计和评估的关键。本文围绕着钢结构桥梁疲劳问题，基于三维车桥耦合振动分析，开展和完成了如下工作：　　(1)提出了一种能更合理考虑路面不平整度劣化过程车辆荷载动力效应对桥梁钢构件疲劳累计损伤影响的应力幅冲击系数和应力幅个数的确定方法。首先，在给定的荷载和环境条件下，研究了路面不平整度的劣化过程，获得了路面不平整度从一个等级退化到另一个等级所需的时间和通过的车辆数目。然后，根据美国规范中规定的桥梁和疲劳车模型，组建了三维车桥耦合振动程序，研究了路面不平整度、桥梁跨径和车速对应力幅冲击系数和等效应力幅个数的影响。结果表明：路面不平整度对应力幅冲击系数和应力幅个数有很大的影响；路面不平整度对应力幅冲击系数的影响比对传统应力冲击系数的影响大；应力幅冲击系数比应力冲击系数大。最后，通过考虑路面不平整度劣化过程中每辆车通过桥梁对桥梁钢构件疲劳累积损伤的影响，提出了 I型简支钢-混凝土组合梁桥疲劳应力幅冲击系数和应力幅个数设计值的计算公式。　　(2)提出了一种能更合理考虑车辆动力效应和超载车辆影响的钢桥疲劳设计新方法。桥梁模型根据美国 AASHTO桥梁设计规范设计。疲劳车模型采用美国AASHTO桥梁设计规范规定的荷载模型，超载车辆通过增加疲劳车模型的总重来考虑。基于开发的车桥耦合程序，研究了路面不平整度、车速和车辆总重对桥梁疲劳累计损伤的影响。结果表明：路面不平整度和车辆总重对桥梁疲劳损伤累积有很大的影响。最后，通过考虑路面不平整度劣化过程中每辆车通过对桥梁构件疲劳累积损伤的影响，提出了一种能考虑车辆荷载动效应和超载影响的疲劳设计方法。　　(3)提出了一种基于钢桥主梁疲劳可靠度分析确定钢桥限载的新方法。首先，基于文献中的交通荷载数据，采用蒙特卡洛方法生成了能考虑桥上同时多车的随机车流荷载。基于美国AASHTO现行桥梁设计规范设计的简支钢梁桥，利用影响线加载分析了随机车流荷载作用下快车道车辆比例(fraction of traffic in the fast lane,FTFL),超载车辆违规率(violation rate,VR),桥梁限载(truck weight limit,TWL)对每辆车过桥产生的平均疲劳累积损伤的影响。最后，根据 Miner疲劳累积损伤准则和S-N曲线，推导了疲劳极限方程，得出了钢桥主梁疲劳可靠度和 FTFL，VR及 TWL的关系。根据疲劳可靠度分析确定了能使桥梁钢主梁疲劳可靠度在75年设计使用年限内能达到目标可靠度的桥梁限载值。　　(4)提出了一种能使钢桥主梁疲劳可靠度达到目标可靠度的确定路面维修周期的方法。采用美国规范中规定的桥梁和疲劳车模型，组建了三维车桥耦合振动程序，研究了路面不平整度、桥梁跨径和车速对每辆疲劳车通过产生的疲劳累积损伤的影响，研究了路面不平整度和路面维修周期对 I型简支钢-混凝土组合梁桥主梁疲劳可靠度的影响。研究表明路面维修周期对桥梁主梁疲劳可靠度有很大影响，当路面不平整非常差时车辆荷载作用下桥梁主梁的疲劳可靠度将急剧下降。最后，总结了能使钢桥主梁疲劳可靠度达到目标可靠度的路面维修周期确定方法。　　(5)提出了一种确定桥梁钢主梁极限承载力可靠度的方法。该方法能更合理考虑车辆动荷载产生的疲劳累积损伤对钢主梁极限承载力折减的影响。首先，建立三维车桥耦合振动模型，桥梁模型根据美国AASHTO桥梁规范设计，车辆荷载采用美国AASHTO规范中规定的疲劳车模型和设计车模型。根据建立的三维车桥耦合振动模型分析了不同路面平整度条件下疲劳车产生的疲劳损伤(Fatigue damage, FD)和最大的应力(Maximum stress,MS)以及设计车产生的冲击系数(impact factor, IM)。然后，根据卡方检验检测不同路面不平整度下FD, MS和IM的分布类型。最后，通过考虑路面不平整度劣化过程中每辆疲劳车通过产生的累积疲劳损伤对钢桥主梁极限承载力的影响，研究了疲劳车日通行量对钢桥主梁极限承载力可靠度的影响，获得了钢桥主梁极限承载力可靠度与疲劳车日通行量的关系。
作者：	王维
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	邓露
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文