基于車橋耦合振動的橋梁動應(yīng)力分析及疲勞性能評估.pdf

1、疲勞是鋼材的固有問題。美國土木工程師協(xié)會的統(tǒng)計表明，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公、鐵路交通，隨著服役時間的增長，這些橋梁的疲勞問題逐漸凸顯。因此，對既有橋梁的疲勞損傷及剩余使用壽命進(jìn)行有效評估有助于保證它們的服役安全，進(jìn)而確保交通運輸網(wǎng)絡(luò)的正常運轉(zhuǎn)。另一方面，我國鐵路正在實行“高速化、重載化”的發(fā)展策略。迄今為止，鐵路部門已實行了六次大面積提速，并建成了全世界最大的高速鐵路運營網(wǎng)。隨著列車速度的提高、軸重及運

2、量的增大，列車與橋梁的耦合動力效應(yīng)更加顯著，同時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估的基礎(chǔ)，對于鐵路橋梁，準(zhǔn)確計算橋梁構(gòu)件在列車作用下的應(yīng)力響應(yīng)對于提高疲勞評估結(jié)果的可靠性具有重要意義。為考慮列車與橋梁之間越來越顯著的動力相互作用，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的橋梁動應(yīng)力分析方法和疲勞性能評估框架，

3、探討了列車速度、軌道不平順、橫向振動、交通演變等對橋梁疲勞應(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
　　將列車荷載簡化為一系列移動集中力，推導(dǎo)以自由振動表達(dá)的簡支梁振動響應(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。以高速鐵路簡支梁橋作為算例，對理論分析進(jìn)行了驗證。計算車速一動力系數(shù)曲線，闡述了列車速度對橋梁動力效應(yīng)的影響，為本文后續(xù)研究內(nèi)容提供參考和基礎(chǔ)。
　　(2)基于車橋耦合動力分析的橋梁應(yīng)力計算方法
　　采用多體動力學(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直接剛度法建立其運動方程。結(jié)合輪軌相互作用模型，建立車橋系統(tǒng)運動方程并求解得到橋梁節(jié)點位移時程。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)彈性有限元理論，進(jìn)一步求解橋梁單元動

5、應(yīng)力。所提出的基于車橋耦合振動的應(yīng)力計算方法充分考慮了列車與橋梁之間的動力相互作用，相比傳統(tǒng)方法能夠更加準(zhǔn)確地計算列車作用下橋梁的動應(yīng)力響應(yīng)。以一座80 rn客運專線鋼桁梁橋為例，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)計算方法的比較及試驗驗證
　　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測應(yīng)力（應(yīng)變）數(shù)據(jù)對本文基于車橋耦合振動的方法進(jìn)行了驗

6、證，并與既有的靜力影響線法及移動集中力法進(jìn)行了比較。采用上述三種方法計算不同行車速度下橋梁應(yīng)變響應(yīng)，分析了車速對動應(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，計算橋梁動應(yīng)變，研究了軌道不平順對應(yīng)力響應(yīng)的影響。對比考慮與不考慮橫向振動的桿件應(yīng)力時程，探討了列車橫向加載及橋梁橫向振動對應(yīng)力響應(yīng)的影響。闡述了本文所提方法、靜力法、移動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)考慮車橋耦合振動效應(yīng)的橋梁

7、疲勞損傷與剩余壽命評估
　　將車橋耦合振動理論引入橋梁疲勞分析，建立了考慮列車與橋梁之間動力相互作用的橋梁疲勞損傷及剩余壽命評估框架，為既有橋梁的疲勞評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的方法計算橋梁構(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為工程背景，對其進(jìn)行疲勞損傷分析，預(yù)測

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對橋梁疲勞壽命的影響，揭示了車速與軌道不平順對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)振動分析的橋梁疲勞可靠度評估的新方法。選取對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，對車橋系統(tǒng)進(jìn)行隨機(jī)振動分析，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)