基于车桥耦合的钢-混凝土组合连续梁桥局部疲劳分析

钢-混凝土组合梁桥在满足使用性能的同时也会发生疲劳损伤,在桥梁设计和使用阶段应保证桥梁不发生疲劳破坏。为研究不同因素对桥梁疲劳损伤的影响,选取一座双工字钢-混凝土组合连续梁桥,采用车桥耦合分析程序对不同的车速、车重、桥面不平整度、桥面板厚度和主梁腹板高度下主梁的疲劳损伤进行分析。首先计算不同影响因素下桥梁的动应力,分析应力幅和等效应力幅个数的变化规律;然后分析应力幅冲击系数随各影响因素的变化规律;最后分析不同影响因素下主梁疲劳细节位置的疲劳损伤。研究结果表明:车重、桥面不平整度和主梁腹板高度对应力幅的影响较大,桥面不平整度对等效应力幅个数和应力幅冲击系数的影响较大;桥面不平整度通过改变应力幅冲击系数以影响应力幅,当桥面不平整度为C级及以下时,应力幅冲击系数偏离规范值;车重、桥面不平整度、主梁腹板高度对主梁疲劳损伤的影响较大,在超载和刚度储备不足的情况下主梁会发生疲劳破坏,应通过限载、及时维修桥面和提高主梁刚度的方法减小主梁的疲劳损伤。

考虑车桥耦合振动的钢梁桥腹板间隙的疲劳分析

分析钢梁桥腹板间隙的疲劳问题时,其应力通常是基于疲劳荷载作用下的静应力叠加一个动力冲击系数来确定。已有研究表明:规范中的疲劳冲击系数低估了实际路面状况下的车辆动力冲击效应,往往导致腹板间隙的实际疲劳寿命低于设计寿命。基于此现状,研究了在假定的车辆和环境条件下路面的退化规律。建立了几座不同跨径的简支Ⅰ型钢梁桥和疲劳车的三维模型,通过车桥耦合振动分析,研究了实际桥面状况下车辆荷载动力效应对腹板间隙产生的应力幅冲击系数,并评估了腹板间隙的疲劳寿命。结果表明:基于腹板间隙应力幅计算的冲击系数大于传统基于应力的冲击系数;美国AASHTO桥梁规范中采用的疲劳冲击系数在路面条件较差时低估了车辆荷载动力效应。最后提出了腹板间隙疲劳评估应力幅冲击系数建议取值。

基于美国规范的桥梁疲劳设计优化及应用

为了更准确地考虑路面不平整度变化引起的车辆荷载动力效应对桥梁构件疲劳累积损伤的影响,首先研究了钢桥路面不平整度在假定的车辆和环境荷载条件下的劣化过程,得到路面不平整度从一个等级退化到另一个等级过程中通过的车辆数量;然后,分别建立桥梁和车辆的三维模型,根据车辆和桥梁接触点位移和作用力的关系构建车-桥耦合振动方程,并利用模态叠加技术和4阶龙格库塔方法在时域内对其进行求解。通过数值计算研究了根据美国AASHTO桥梁规范设计的5座不同跨径Ⅰ-型简支钢梁桥的主梁在不同路面不平整度下每辆车通过时承受的应力幅冲击系数和等效应力幅度个数。最后,通过考虑路面劣化过程中过往车辆对桥梁构件疲劳累积损伤的影响,对AASHTO规范中疲劳动力冲击系数和应力幅个数这2个直接影响桥梁疲劳寿命的参数进行了优化设计,并探讨了如何借鉴此优化方法来完善中国钢结构桥梁构件的疲劳设计和评估。结果表明:美国AASHTO规范里规定的疲劳冲击系数0.15适用于跨径大于23m的桥梁,而对短跨桥梁而言,需要采用更大的疲劳冲击系数;当桥梁跨径大于23m时,每辆车通过桥梁时主梁承受的应力幅个数设计值可取1,小于23m时可根据所提出的应力幅个数设计公式计算确定。该优化方法可用来完善中国钢结构桥梁构件的疲劳设计和评估。