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基于车桥耦合振动的双层六线铁路桥梁疲劳性能评估

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东南大学学报（自然科学版） 2023年第1期53卷 67-75页

作者：崔圣爱张猛曾光申路苏姣祝兵西南交通大学土木工程学院成都610031

为探究双层六线铁路列车-桥梁系统耦合振动的空间效应,通过数值方法实现了车桥耦合振动的仿真计算,确定了空间影响规律及全桥最不利杆件位置,并应用于疲劳损伤评估.结合实际列车开行频率建立车桥系统仿真模型,获取桥梁变幅应力时程,并基... 详细信息

为探究双层六线铁路列车-桥梁系统耦合振动的空间效应,通过数值方法实现了车桥耦合振动的仿真计算,确定了空间影响规律及全桥最不利杆件位置,并应用于疲劳损伤评估.结合实际列车开行频率建立车桥系统仿真模型,获取桥梁变幅应力时程,并基于Miner线性损伤累积理论与S-N曲线进行疲劳损伤分析.结果表明:空间行车工况下车桥动力响应满足规范要求;相较于平面行车,空间行车时车辆动力响应增大,且动车组比货物列车增幅更明显,动车组安全性指标的空间-偏载系数达到3.808;空间行车对桥梁的横向位移影响严重,影响系数达到1.546;空间行车时桥梁各关键杆件的疲劳损伤指数出现不同程度的增幅,最高可达48.21%;桥梁服役期间主桁最不利杆件连接细节处疲劳损伤度为0.509.

关键词：多线铁路车桥耦合振动联合仿真多体系统动力学疲劳性能评估

柔性及刚性铺装正交异性钢桥面板疲劳性能评估与结构优化

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柔性及刚性铺装正交异性钢桥面板疲劳性能评估与结构优化

作者：王渊广西大学

学位级别：硕士

正交异性钢桥面板(orthotropic steel deck,OSD)因其自重轻、承载力高、易于装配化施工等优良特性,被广泛应用于各种大中型跨径桥梁。U肋-横隔板构造(含弧形切口)等焊接热点是疲劳开裂的高发区,其疲劳开裂机理和疲劳性能提升的相关研究... 详细信息

正交异性钢桥面板(orthotropic steel deck,OSD)因其自重轻、承载力高、易于装配化施工等优良特性,被广泛应用于各种大中型跨径桥梁。U肋-横隔板构造(含弧形切口)等焊接热点是疲劳开裂的高发区,其疲劳开裂机理和疲劳性能提升的相关研究尚不充分,新型U肋-横隔板构造为解决桥面板疲劳开裂问题提供新的途径。柔性铺装的纵、横向裂缝、车辙及局部凹陷是制约钢桥发展的关键问题,刚性铺装可提高桥面整体刚度,具备抗冲击、抗裂和耐磨等优良性能。本文采用试验、理论和数值模拟相结合的方法,开展了柔性及刚性铺装正交异性钢桥面板疲劳性能评估与结构优化的研究,主要完成工作如下:(1)开展了柔性铺装正交异性钢桥面板疲劳开裂机理研究。首先,以U肋-横隔板构造(含弧形切口)为研究对象,开展了正交异性钢桥面板足尺疲劳试验,过程中记录裂纹的扩展形态,明确U肋-横隔板构造的裂纹类型和主导破坏模式。然后,将试验结果与有限元结果进行对比分析,验证了有限元模拟的准确性,并对轮载应力进行分析,得到最不利加载工况。最终,对U肋-横隔板构造运用子模型技术,明确其疲劳应力分布规律。(2)开展了柔性铺装桥面板U肋-横隔板构造的疲劳性能评估与结构优化研究。基于热点应力法和临界距离理论对弧形切口的疲劳性能进行评估,并基于热点应力法和等效结构应力法对U肋-横隔板构造的疲劳性能进行评估,验证疲劳评估方法对不同焊接热点的适用性和准确性。最后,对新型U肋-横隔板构造进行结构优化,给出其最优疲劳性能的结构设计参数。(3)开展了刚性铺桥面板的疲劳性能评估及结构优化。首先,基于栓接刚性铺装桥面板,结合有限元模拟和结构优化,讨论了UHPC铺装参数对U肋-横隔板构造、弧形切口等焊接热点的疲劳性能提升效果,并对栓钉的疲劳性能进行评估。然后,验证了环氧黏结剂作为UHPC铺装与钢桥顶面的连接件的可行性,并评估UHPC与钢桥面板的黏结界面损伤程度,提出环氧粘结剂强度设计值。最后,结合新型U肋-横隔板构造与环氧黏结刚性铺装桥面板组成的新型刚性铺装桥面板。

关键词：疲劳性能评估结构优化正交异性钢桥面板 U肋-横隔板构造等效结构应力法热点应力法

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地铁转向架排障器的结构改进及疲劳性能评估

机械强度 2021年第1期43卷 217-224页

作者：许喆智鹏鹏刘东亮中车唐山机车车辆有限公司技术研究中心唐山063035 大连交通大学机械工程学院大连116028

针对某线路地铁列车在服役过程出现的转向架排障器断裂和边缘裂纹萌生现象,分析其故障原因,提出一种有限元分析与动应力试验相结合的疲劳性能评估方法,以验证改进排障器结构设计的合理性。首先,对出现断裂或边缘裂纹的排障器结构从设计... 详细信息

针对某线路地铁列车在服役过程出现的转向架排障器断裂和边缘裂纹萌生现象,分析其故障原因,提出一种有限元分析与动应力试验相结合的疲劳性能评估方法,以验证改进排障器结构设计的合理性。首先,对出现断裂或边缘裂纹的排障器结构从设计及结构、制造和原材料方面进行综合分析,提出相应的结构改进方案。其次,依据EN13749标准对新型排障器结构进行静强度和疲劳强度分析,明确其危险部位。再次,综合考虑仿真分析结果及操作空间确定应变片布置方案,对其进行线路试验测试。最后,采用Miner线性累计损伤法则和IIW推荐的S-N曲线评估排障器的疲劳性能。结果表明:基于有限元分析和动应力试验的新型排障器疲劳性能均满足要求,二者相互佐证进一步验证新型结构设计的合理性,同时仿真分析结果为合理布置测点提供了理论参考。

关键词：转向架排障器有限元分析动应力试验疲劳性能评估

基于随机车流的大跨径双层公路悬索桥疲劳性能评估

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武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2017年第4期41卷 575-580页

作者：刘沐宇韩征邓晓光武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室武汉430070

由于车辆荷载在桥梁上的分布状态极为复杂,在进行疲劳性能评估时,采用标准疲劳车进行加载不能真实反映杆件的受力历程.采用蒙特卡罗法模拟各个车道的随机车流作为疲劳荷载,将其加载到危险杆件的应力影响线上,得到更加符合实际情况的应... 详细信息

由于车辆荷载在桥梁上的分布状态极为复杂,在进行疲劳性能评估时,采用标准疲劳车进行加载不能真实反映杆件的受力历程.采用蒙特卡罗法模拟各个车道的随机车流作为疲劳荷载,将其加载到危险杆件的应力影响线上,得到更加符合实际情况的应力时程.随后采用雨流计数法处理应力时程得到危险杆件的应力谱,根据等效损伤累计理论计算危险杆件200万次的等效应力幅用以疲劳性能评估.结果表明,武汉杨泗港长江大桥钢桁梁疲劳性能满足设计要求.

关键词：疲劳性能评估随机车流双层公路桥钢桁梁等效应力幅

港珠澳大桥正交异性钢桥面板纵肋现场接头疲劳特性

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中国公路学报 2016年第12期29卷 34-43,59页

作者：黄云张清华卜一之李乔西南交通大学土木工程学院四川成都610031

为研究正交异性钢桥面板钢箱梁结构纵肋现场接头的疲劳性能,以港珠澳大桥中2类典型闭口截面U形纵肋的现场接头(焊接与栓接)作为研究对象,对其疲劳特性进行了试验和理论研究。依据实桥结构尺寸设计了2组4个足尺试件模型,并对现场焊接与栓... 详细信息

为研究正交异性钢桥面板钢箱梁结构纵肋现场接头的疲劳性能,以港珠澳大桥中2类典型闭口截面U形纵肋的现场接头(焊接与栓接)作为研究对象,对其疲劳特性进行了试验和理论研究。依据实桥结构尺寸设计了2组4个足尺试件模型,并对现场焊接与栓接2种常用接头形式在设计寿命服役期内的疲劳性能进行了试验验证,在此基础上,对既有正交异性钢桥面板疲劳损伤案例中占比例较高的焊接接头疲劳损伤特性进行了相关疲劳试验与疲劳性能评估;通过在焊缝两侧对称布置2排电阻应变计获得不同疲劳加载次数下各测点的主拉应力实测值,揭示了焊接接头局部区域主拉应力随疲劳加载次数的变化规律,并结合超声波与磁粉探伤判断焊缝位置裂纹的萌生状况;分别建立实体与板壳有限元模型,计算出用于焊接接头疲劳评估的等效结构应力幅,探讨了结构应力法应用于该类细节疲劳评估的可行性和合理性。研究结果表明:2类纵肋现场接头中各关键测点的主拉应力在疲劳验证试验阶段基本保持不变,其疲劳性能均满足设计要求且具有一定的安全储备;随疲劳加载次数的增加,疲劳裂纹萌生初期的累积损伤会引起附近局部区域结构刚度下降,导致该区域内的主拉应力值出现不同幅度的增大;结构应力法适用于正交异性钢桥面板纵肋现场焊接接头部位的疲劳性能评估,且评估结果稳定、离散性较小。

关键词：桥梁工程正交异性钢桥面板结构应力法纵肋现场接头疲劳试验疲劳性能评估

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正交异性钢桥面板焊接接头疲劳评估方法

西南交通大学学报 2015年第6期50卷 1011-1017页

作者：崔闯刘益铭廖贵星张清华卜一之西南交通大学土木工程学院四川成都610031

传统正交异性钢桥面板疲劳性能评价方法评估精度不足,为准确评估其焊接接头的疲劳性能,基于线性累积损伤理论,探讨了结构应力法、切口应力法用于正交异性钢桥面板焊缝疲劳性能评估的可行性和准确性.以典型正交异性钢桥面板为研究对象,... 详细信息

传统正交异性钢桥面板疲劳性能评价方法评估精度不足,为准确评估其焊接接头的疲劳性能,基于线性累积损伤理论,探讨了结构应力法、切口应力法用于正交异性钢桥面板焊缝疲劳性能评估的可行性和准确性.以典型正交异性钢桥面板为研究对象,采用足尺模型试验和仿真分析,并结合已有试验数据对上述评估方法进行验证.研究结果表明:与结构应力法相比,采用切口应力法或传统名义应力法评价正交异性钢桥面板的疲劳性能时,评价结果的离散性大;采用结构应力法(离散度为3倍标准差的主S-N曲线时)更准确,适用于正交异性钢桥面板焊接接头疲劳性能评估.

关键词：正交异性钢桥面板疲劳性能评估切口应力法结构应力法主S-N曲线疲劳试验

钢-超高性能混凝土组合桥面系中栓钉连接件的疲劳性能研究

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中国公路学报 2017年第3期30卷 139-146页

作者：刘诚樊健生聂建国胡建华崔剑峰唐亮清华大学土木工程系北京100084 湖南省交通规划勘察设计院湖南长沙410005 中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司北京100088

针对钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥面系中栓钉连接件疲劳性能研究不足的状况,采用精细数值模型和模型疲劳试验,对岳阳洞庭湖大桥的钢-UHPC组合桥面系中栓钉连接件的疲劳性能进行了研究。在精细数值模型分析中,建立了岳阳洞庭湖大桥的... 详细信息

针对钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥面系中栓钉连接件疲劳性能研究不足的状况,采用精细数值模型和模型疲劳试验,对岳阳洞庭湖大桥的钢-UHPC组合桥面系中栓钉连接件的疲劳性能进行了研究。在精细数值模型分析中,建立了岳阳洞庭湖大桥的多尺度有限元模型,提取了栓钉剪应力的影响面,基于中国《公路钢结构桥梁设计规范》的标准疲劳车,计算得到了栓钉等效疲劳剪应力幅。在模型疲劳试验中,取桥面系的正弯矩和负弯矩板带,设计了1组2个梁式足尺疲劳试件,其中正、负弯矩试件中的栓钉分别在119.5MPa和72.0MPa名义剪应力下经历了200万次疲劳加载。再考虑了影响面大小、车流量和设计年限等因素对等效疲劳应力幅进行修正,并对栓钉的疲劳寿命进行了评估。结果表明:试件在经历200万次疲劳加载后应变仍保持平截面,未发生明显界面疲劳破坏,可保守取119.5 MPa和72.0 MPa作为正、负弯矩板带试件中栓钉的疲劳强度;洞庭湖大桥组合桥面系中的栓钉连接件具有足够的疲劳承载力安全储备,能够满足120年的设计寿命要求。

关键词：桥梁工程钢-UHPC组合桥面系疲劳试验栓钉连接件疲劳性能评估多尺度有限元

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钢结构桥梁疲劳2020年度研究进展

土木与环境工程学报（中英文） 2021年第S1期43卷 79-90页

作者：张清华劳武略崔闯卜一之夏嵩西南交通大学土木工程学院成都610031

钢结构桥梁具有轻质高强、跨越能力大、易工厂化制造和便于装配化施工等突出优点,是桥梁工程的重要发展方向。但工程实践表明,疲劳与断裂是导致结构服役性能降低甚至引发灾难性事故的关键因素,严重制约了钢结构桥梁发展应用。学者们从... 详细信息

钢结构桥梁具有轻质高强、跨越能力大、易工厂化制造和便于装配化施工等突出优点,是桥梁工程的重要发展方向。但工程实践表明,疲劳与断裂是导致结构服役性能降低甚至引发灾难性事故的关键因素,严重制约了钢结构桥梁发展应用。学者们从不同的角度对于钢结构桥梁疲劳问题进行了深入系统的研究,现聚焦于疲劳失效机理与抗力评估方法、抗疲劳设计与建造技术、环境因素及其疲劳抗力效应机制、疲劳裂纹识别与监测检测、疲劳开裂处置与性能强化等主要方面。对2020年度在相关领域所取得的最新研究进展进行总结,梳理亟待解决的关键问题以及下阶段的研究重点。结果表明,钢结构桥梁疲劳问题是学术界和工程界的研究热点,在对疲劳性能分析评估理论方法、抗疲劳设计和长寿命结构、抗疲劳建造技术、疲劳损伤监测与疲劳微裂纹检测识别、剩余疲劳寿命预测与疲劳性能强化进行研究的基础上,构建钢结构桥梁全寿命周期抗疲劳技术,是未来的研究重点和重要发展方向。

关键词：钢结构桥梁研究进展疲劳性能评估裂纹检测与监测加固

考虑车桥耦合振动和随机车流的钢桥疲劳寿命预测

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考虑车桥耦合振动和随机车流的钢桥疲劳寿命预测

作者：罗颖西南交通大学

学位级别：硕士

车辆荷载是导致桥梁结构疲劳损伤的主要因素。结合基于实测交通数据的随机车流荷载,考虑车辆动力、桥梁动力及桥面铺装性能劣化等因素的影响,对公路钢结构桥梁结构的疲劳寿命进行准确预测以保证桥梁结构的运营安全,是当前的热点研究问... 详细信息

车辆荷载是导致桥梁结构疲劳损伤的主要因素。结合基于实测交通数据的随机车流荷载,考虑车辆动力、桥梁动力及桥面铺装性能劣化等因素的影响,对公路钢结构桥梁结构的疲劳寿命进行准确预测以保证桥梁结构的运营安全,是当前的热点研究问题。为在已有的疲劳性能评估体系中量化这两方面因素对公路钢桥结构疲劳性能的影响,本文在以下几个方面进行了相关研究工作:(1)介绍了公路钢桥梁疲劳破坏问题的研究背景,总结分析了车桥耦合问题的研究内容与现阶段的研究成果,梳理了疲劳问题研究的发展历史,并对目前常用的几种疲劳性能评估方法进行了简要的介绍。(2)根据实测交通荷载调查数据,对公路桥梁常见的车辆进行分类,并建立相应的车辆动力学分析模型。根据广义虚功原理,对各车辆模型动力学方程组中的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵进行了理论推导。(3)为求解车桥耦合振动响应,采用接触力法建立车桥耦合分析模型,选取了车辆动力学分析模型的相关参数,建立了相应的有限元动力学分析模型,并在车桥耦合分析模型中引入了随时间劣化的路面不平顺度的影响。并对Newmark法和HHT法两种动力学问题求解时域积分方法进行了对比分析,选取了适用于本文车桥耦合问题求解的积分方法。(4)针对本文研究的公路钢桥,确定了结构的疲劳易损细节,建立了梁单元、壳单元和实体单元相结合的多尺度有限元模型。为了提高有限元模型与工程实际结构的一致性,以自振频率为结构响应、有限元模型弹性模量为设计参数,结合响应面法与遗传算法,对有限元模型进行模型更新。模型更新后,在保证对应振型不变的条件下有限元模型的自振频率更加符合工程实测数据。(5)整理交通荷载调查数据中的车流信息分布特性,采用Monte-Carlo法生成桥梁结构全寿命周期内的随机车流荷载。在考虑桥梁结构全寿命周期内桥面不平顺度劣化情况与随机车流荷载的条件下,对公路钢结构桥梁结构的疲劳寿命进行预测,对比分析了车桥耦合振动效应、路面不平顺度劣化情况以及随机车流荷载对结构疲劳性能的影响。

关键词：钢桥疲劳性能评估车桥耦合随机交通荷载模型更新健康监测