考虑材料劣化的钢—混凝土组合梁桥疲劳性能研究
作者单位：重庆交通大学
学位级别：硕士
导师姓名：刘浪
授予年度：2022年
摘 要：钢-混凝土组合桥梁被广泛使用在现代桥梁工程中。桥梁在车辆的反复作用下,虽然不会立即破坏,长此以往会对桥梁造成不可逆转的疲劳损伤,最后导致桥梁产生疲劳破环。同时,由于桥梁的服役环境作用、外部荷载作用、运营维护不到位等各种外部因素,使得桥梁的性能退化,影响桥梁的安全性。在役桥梁的自身的服务水平呈现出一种时变特征,在桥梁劣化作用下,可能加速钢结构桥梁的疲劳损伤的累积速度,缩短桥梁的疲劳寿命,进而对此类桥梁的运营维护提出了更高的要求。本文对结构劣化作用对钢-混凝土组合桥梁的疲劳性能和可靠度指标的影响规律做了系统分析,主要有以下几个方面:1)基于钢筋、混凝土、钢材的腐蚀规律,计算材料的劣化参数,同时对劣化参数进行了分析,结果显示:材料劣化会大幅降低材料的力学性能。根据材料的力学参数劣化模型,利用ANSYS软件建立钢-混凝土组合梁桥劣化有限元模型。并以该桥梁为研究对象,采用单车和多车两种加载方式对不同劣化工况的有限元模型进行加载。2)首先对加载所获得的钢混组合梁桥主梁疲劳细节区域的应力时程曲线进行对比分析。其次,基于Miner线性累积损伤规律,计算了疲劳损伤发展曲线。然后讨论了最大应力幅增长率与应力循环次数增长率的规律。最后,定义疲劳损伤比,分析了结构劣化对车辆通过疲劳损伤的影响。结果表明:结构劣化会导致应力峰值增大;结构劣化的程度越大,疲劳损伤的发展速度越快;最大应力幅增长率随劣化时长增大,等效应力循环次数并没呈现明显的规律性;最后,结构劣化导致的疲劳损伤比随劣化时间呈明显的非线性上升的趋势。3)基于可靠度理论与Miner疲劳累积损伤理论,建立其考虑交通量与车重线性增加的极限状态方程。采用蒙特卡洛方法,使用MATLAB进行可靠度计算。首先,对仅考虑材料劣化对钢-混凝土组合梁桥主梁焊缝细节的疲劳可靠度指标变化规律进行探究。然后对仅考虑交通量增长和交通量对可靠度指标的变化规律进行对比分析。结果表明:材料劣化、交通量增长、车重增长均会降低桥梁的疲劳可靠度,在达到目标可靠度时,车重增长导致的钢-混凝土组合梁桥主梁疲劳细节的疲劳寿命下降幅度最大,材料劣化与车流增长导致的钢-混凝土组合梁桥主梁疲劳细节的疲劳寿命下降幅度基本一致。4)使用可靠度理论方法对车流增长和车重分别与材料劣化共同作用下对可靠度指标的影响规律进行了研究。研究结果表明:考虑交通量增长和车重增长分别与结构劣化双因素耦合作用与仅考虑、材料劣化、交通量增长以及车重增长单个因素作用相比,双因素耦合作用下钢-混凝土组合梁桥疲劳细节的疲劳可靠度明显下降得更快。另外,交通量增长与材料劣化耦合作用时对钢-混凝土组合梁桥疲劳细节的疲劳可靠度的影响幅度小于车重增长与材料劣化相互耦合作用所带来的影响幅度。
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