车桥耦合振动条件下钢筋混凝土拱桥疲劳损伤分析

• 作 者: 翟威威
• 出 处: 昆明理工大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 车-桥耦合振动 疲劳损伤 线性累计损伤理论 随机车流 钢筋混凝土拱桥

在中国的整个交通系统中,钢筋混凝土桥梁占主导地位,约占到全部桥梁总数的90%。钢筋混凝土拱桥因其造价低、承载潜力大、施工方便等特点,在山多谷深的西南地区更是得到了广泛的应用。近些年,由于我国经济发展迅猛,交通运输业也随之得以快速发展,使我国公路桥梁的运营环境发生较大的变化,车辆荷载水平大幅度提高,桥梁结构的疲劳问题也日益突出。故《公路桥涵通用设计规范》第一章中专门对桥梁整体结构和局部构件的设计使用年限做了明确规定,但是却未给出具体的估算方法。而桥梁在整个服役期间要经受车辆荷载的长期反复作用,车辆荷载下的车桥耦合振动是桥梁发生疲劳损伤的主要原因。因此开展在车桥耦合振动条件下钢筋混凝土拱桥的疲劳损伤分析有十分重要的理论意义及实用价值。本文的主要研究内容:(1)选用模态综合法作为车桥耦合的分析方法。根据振型叠加原理得到桥梁结构正则坐标表达的模态动力平衡方程,基于达朗贝尔原理建立了两轴7自由度的空间车辆模型的动力平衡方程,求得到车辆模型的质量矩阵、刚度矩阵及阻尼矩阵。最后推导了车桥耦合动力平衡方程。(2)对疲劳分析的方法以及疲劳损伤累计理论进行了归纳比较,可以将Palmgren-Miner线性累积损伤理论用于钢筋混凝土拱桥疲劳损伤分析。基于对钢筋和混凝土两种材料的实验研究,确定了在钢筋混凝土拱桥的疲劳分析中两种材料的S-N曲线。(3)对车辆荷载谱的制定方法进行了研究,确定了适用于本文疲劳分析的车辆荷载谱。基于随机车流服从的数学模型,在MATLAB中以蒙特卡罗法编制随机车流生成程序。为桥梁进行疲劳损伤分析提供两种加载方式。(4)借助大型通用有限元软件ANSYS建立了算例拱桥的有限元模型,并对桥梁进行了模态分析,确定了疲劳分析的关键截面。通过车桥耦合分析程序Dynlab建立了疲劳车辆荷载谱中的三种疲劳车模型,实现了车桥耦合振动的分析。提取出各关键截面的应力时程,比较出最不利截面,以钢筋和混凝土的S-N曲线为基础,按照线性疲劳累积损伤的原理,最终实现了钢筋混凝土拱桥的疲劳损伤计算与剩余寿命的预估。最后对影响车桥耦合振动的因素进行了探讨。