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原文传递随机车流荷载作用下桥梁多车道疲劳车辆荷载模型及结构疲劳寿命评估

论文题名：	随机车流荷载作用下桥梁多车道疲劳车辆荷载模型及结构疲劳寿命评估
关键词：	桥梁工程;疲劳损伤;车辆荷载;断裂力学
摘要：	疲劳是桥梁的一种关键损伤机制，车辆荷载是运营桥梁最主要的外部疲劳荷载，规范以及大量研究主要通过疲劳荷载模型来表征运营车流荷载作用下桥梁受到的疲劳损伤，但是车辆分车道行驶引起的车道荷载显著差异这一问题并未受到关注。此外，目前针对实际车辆荷载长期循环作用下的桥梁损伤累积评估主要采用S-N曲线方法，无法回答桥梁构造细节的疲劳损伤随时间演化特点以及需要如何制定管养对策，需要探索采用断裂力学的疲劳损伤分析方法进行研究。因此，本研究考虑随机车流下的多车道荷载的差异车道分布特性，建立多车道疲劳荷载模型，并使用基于断裂力学的疲劳损伤分析方法评估随机车流荷载作用下桥梁构件的疲劳性能。主要研究内容及成果包含：　　（1）归纳并推导了基于S-N曲线及断裂力学的疲劳评估方法。首先，系统梳理不同国家规范基于S-N曲线的疲劳评估方法，并比较在同一疲劳细节处不同国家规范以及实际WIM数据的疲劳评估结果；其后，基于断裂力学理论的不同思路分为循环周期方法和时间尺度方法，根据两种方法的理论推导思路开发数值程序，将数值程序预测结果与既有文献算例结果进行比对，以证明数值程序的有效性与准确性。结果表明，不同国家规范对不同细节类别的疲劳强度规定数值不同，对同一疲劳细节处的评估结果存在显著差异性，然而与实际车流的疲劳评估结果比较得出基于规范的结果偏于保守，并且没有考虑车道差异带来的影响。此外，基于断裂力学两种方法预测不同材料下的裂纹增长变化与文献数据进行对比表明，通过自编程序预测结果与文献结果具有非常好的一致性。　　（2）建立了考虑车道荷载差异性的桥梁多车道疲劳荷载模型。以多组动态称重数据为基础，分析了WIM数据加载下的多车道荷载差异性；并根据多车道荷载差异化分布特征建立由多车道系数和标准疲劳车组成的多车道疲劳荷载模型；最后分别将推荐疲劳荷载模型、中国规范的疲劳荷载模型Ⅱ以及实际车流荷载数据分别加载于同一桥梁工程案例中对比分析模型在多车道不均匀荷载下的桥梁评估结果。结果表明，基于推荐疲劳荷载模型更能显示出车道的荷载差异性，并与实际车流数据的计算结果保持一致，而规范模型偏于保守。　　（3）基于断裂力学理论分别建立循环周期和时间尺度方法在随机车流荷载作用下的桥梁疲劳评估体系，建立的疲劳评估体系依据参数是否明确包括疲劳寿命评估框架和疲劳可靠性评估框架，并与S-N曲线方法的评估结果比较。以裂纹长度变化的预测结果表明，基于循环周期方法的和时间尺度方法对疲劳裂纹尺寸的预测差距显著，时间尺度方法的裂纹扩展速率和可靠度水平均低于循环周期方法结果，但裂纹沿着时间的变化趋势均相同，即裂纹长度变化曲线呈非线性增加的趋势，同时不同梁构件的裂纹尺寸存在显著的分布差异性。此外，基于S-N曲线方法以及断裂力学方法计算随机车流荷载作用下桥梁各梁构件的疲劳寿命得到外侧慢车道下的梁构件使用100年后已超过临界裂纹尺寸10mm，此时结构已受到破坏，需要对其进行及时的维修加固。
作者：	胡翠敏
专业：	建筑与土木工程
导师：	黄海云;周军勇
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广州大学
学位年度：	2022