車輛荷載作用下公鐵兩用橋梁的疲勞分析

熊 濤

(中鐵二院武漢勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，武漢 430071)

車輛荷載作用下公鐵兩用橋梁的疲勞分析

熊 濤

(中鐵二院武漢勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，武漢 430071)

隨著大量超載車輛的出現(xiàn)，橋梁結(jié)構(gòu)損傷加劇，降低了結(jié)構(gòu)使用壽命。該文首先分析了車輛動(dòng)力放大系數(shù)的計(jì)算方法，其次對(duì)荷載效應(yīng)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行了研究，然后通過疲勞模型的建立，對(duì)車輛荷載作用下的橋梁使用壽命進(jìn)行計(jì)算，最后給出了用于橋梁荷載性能估算的有限元程序，從而進(jìn)一步確定了橋梁車輛荷載對(duì)橋梁疲勞性能的影響。

公鐵兩用橋梁； 車輛荷載； 疲勞分析

武漢天興洲公鐵兩用長江大橋用鋼量達(dá)到46 000 kg，超過國際體育館“鳥巢”的用鋼量，實(shí)現(xiàn)了與武廣客運(yùn)專線的對(duì)接，不僅擴(kuò)大了武漢城區(qū)公路和鐵路的過江通行能力，而且向世人展示了中國橋梁建設(shè)的實(shí)力。隨著近年來交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)公路鐵路運(yùn)營的安全性和可靠性的關(guān)注度也不斷提升。現(xiàn)有的公路鐵路、航天航空以及海洋運(yùn)輸結(jié)構(gòu)等多數(shù)是在振動(dòng)荷載的環(huán)境下運(yùn)行的，而這些結(jié)構(gòu)經(jīng)常會(huì)因?yàn)檠h(huán)荷載而產(chǎn)生疲勞破壞。在實(shí)際運(yùn)營中，橋梁結(jié)構(gòu)由于受到各種載重車輛不同反復(fù)作用會(huì)產(chǎn)生不間斷的擾動(dòng)力，加上交變荷載的作用，極易導(dǎo)致疲勞損傷和破壞。尤其是隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，運(yùn)營車輛數(shù)量以及載重也在急速增加，而現(xiàn)有的多數(shù)橋梁普遍存在承載力不足、設(shè)計(jì)荷載低等問題，因此，研究公鐵兩用橋梁在車輛荷載作用下的疲勞性能迫在眉睫。

1 疲勞模型建立

通過現(xiàn)場車流量的調(diào)查，獲取車輛荷載譜，利用雨流計(jì)數(shù)和瞬態(tài)分析、線性累積等來計(jì)算橋梁荷載以及疲勞性能。為了改變傳統(tǒng)研究方法的不足，采用以下創(chuàng)新方法進(jìn)行研究：

1)可以在不考慮橋梁路面不平整度的情況下，將車輛對(duì)橋梁路面的荷載作為一個(gè)瞬時(shí)的半正弦波沖擊荷載并結(jié)合橋梁基頻綜合分析，以獲取車輛荷載的動(dòng)力放大系數(shù)。

2)利用HJC模型，將其作為混凝土材料模型，采用數(shù)值模擬箱梁，得到相應(yīng)的極限承載力，而且效果比較明顯。

3)結(jié)合現(xiàn)場車流量的調(diào)查數(shù)據(jù)，采用瞬態(tài)分析計(jì)算不同車軸數(shù)通過橋梁時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)情況，進(jìn)而得到箱梁應(yīng)力變化曲線。

根據(jù)以上三點(diǎn)要求，建立橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)疲勞模型，其涉及到振動(dòng)、動(dòng)力學(xué)、隨機(jī)過程和疲勞等多個(gè)學(xué)科。但是一些學(xué)者認(rèn)為路面的平整度不是影響路面放大系數(shù)的一個(gè)主要因素，甚至在到達(dá)跨中之前，最大彎矩也會(huì)產(chǎn)生。因此，在研究橋梁對(duì)車輛的響應(yīng)分析時(shí)，可以使用相向而行的兩輛車作為模擬量，以簡化多輛車輛同時(shí)施加作用的復(fù)雜性。據(jù)此，一些研究者得到了具體的車輛動(dòng)力放大系數(shù)與車速關(guān)系曲線，如圖1所示。

有些研究者認(rèn)為考慮路面不平整度時(shí)，也可獲得動(dòng)力有前效放大系數(shù)，并給出了考慮路面不平整度時(shí)的具體計(jì)算方法，如下

(1)

其中，

(2)

式中,r(xi)表示xi方向上的橋梁路面的評(píng)價(jià)；hu表示每單位斜坡長度上的垂直距離；DAE表示此處總的動(dòng)力放大系數(shù)；公式中DAFsmooth為光滑平面的動(dòng)力放大系數(shù)；DNFunit是單位斜坡上的動(dòng)力放大系數(shù)；N表示橋梁路面的斜坡數(shù)量。

1.1車輛動(dòng)力放大系數(shù)

對(duì)于車輛動(dòng)力放大系數(shù)的研究，該文主要采用橋梁積分方程進(jìn)行分析。具體研究時(shí)，可以忽略路面不平整度的影響，在這里以車速作為放大系數(shù)的主要研究參數(shù)。首先利用輪胎在縱向接地壓力的分布變化曲線，并參照相應(yīng)車速，將荷載作為一個(gè)半正弦的沖擊荷載，最后由橋梁跨度與基頻的關(guān)系進(jìn)行綜合分析。當(dāng)進(jìn)行車輛移動(dòng)荷載下簡支梁橋的動(dòng)力特性分析時(shí)，其耦合振動(dòng)的分析如圖2所示。

若是不考慮橋梁不平整度的情況，放大系數(shù)主要在零點(diǎn)上下進(jìn)行波動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)共振點(diǎn)時(shí)，隨著車速的增大而不斷減小。但是由于車輛動(dòng)力系數(shù)還受其他因素的影響，如輪胎氣壓、汽車載重、輪胎型號(hào)等，因此必須充分考慮到輪胎接地面積的動(dòng)力參數(shù)，以車速作為放大系數(shù)的主要參數(shù)。汽車荷載要進(jìn)行縱橫向折減，比如說四車道，同時(shí)四輛車錯(cuò)車的概率就會(huì)減小，也就是說垂直于車道方向，一般同時(shí)只有一輛車，為了避免浪費(fèi)，可以沿橫向乘以一個(gè)系數(shù)折減荷載；縱向折減是因?yàn)闃蛄涸介L，橋上全部布滿車的概率就越小，而且考慮車輛間距，因此沿著縱向乘以一個(gè)系數(shù)折減荷載。

1.2荷載效應(yīng)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)

對(duì)于公路橋梁而言，可靠度的分析所要引用的是車輛荷載效應(yīng)的概率分布及其統(tǒng)計(jì)參數(shù)，而且車輛荷載是以多個(gè)參數(shù)影響著產(chǎn)生于橋梁結(jié)構(gòu)中的效應(yīng)。因此，在進(jìn)行效應(yīng)計(jì)算時(shí)，需要做到以下方面：1)橋梁結(jié)構(gòu)局部應(yīng)變主要通過直接測量來實(shí)現(xiàn)，利用MSNSON公式將應(yīng)變參數(shù)作為疲勞壽命評(píng)估系數(shù)；2)通過軸重、軸距的反復(fù)大量試算，得到滿足于荷載效應(yīng)的參數(shù)，以有效提升其疲勞精度，而且數(shù)值比應(yīng)力值的分析結(jié)果更精確。

1.3橋梁抗疲勞性能

在研究橋梁抗疲勞性能時(shí)，主要分為混凝土抗壓疲勞性能和鋼筋抗拉疲勞性能?；炷量箟浩谛阅苤饕婕暗降膬?nèi)容有兩個(gè)方面：一是單軸抗壓疲勞，一是雙軸抗壓疲勞。而在鋼筋抗拉疲勞性能的研究中，鋼筋的疲勞S-N曲線方程式在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中的表達(dá)式為

logN=A+mlogΔσ+C

(3)

通過疲勞研究可對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測分析，但是關(guān)于疲勞研究的起步相對(duì)較晚，相關(guān)研究理論和方法還不是很完善。因此，在實(shí)際研究時(shí)，很難滿足工程的精度要求。目前主要用到的方法有應(yīng)變、應(yīng)力、損傷、斷裂等，通過以上方法來預(yù)測橋梁的壽命。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)測驗(yàn)時(shí)，采用S-N曲線方程，運(yùn)用結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估。但是由于實(shí)際工程中，構(gòu)件往往會(huì)受到多方面的疲勞荷載作用，因此，在計(jì)算時(shí)，需要將變化的應(yīng)力幅通過計(jì)算得到多個(gè)恒定的應(yīng)力幅，或者是通過相應(yīng)的方法將其轉(zhuǎn)化為等效應(yīng)力幅。

2 橋梁疲勞破壞分析

根據(jù)橋梁荷載動(dòng)力分析，我們知道上述方法存在著一定的缺陷，為了進(jìn)一步改進(jìn)其中的不足，可以采用顯式動(dòng)力分析程序，這種程序可以模擬真實(shí)世界的各種復(fù)雜問題，尤其適合于三維和二維非線性結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力沖擊問題，具體的程序操作圖如圖3所示。

根據(jù)以上運(yùn)動(dòng)方程求解方法并結(jié)合顯式動(dòng)力學(xué)分析理論，可得到動(dòng)力荷載下有阻尼結(jié)構(gòu)體系的運(yùn)動(dòng)方程，如下

(4)

式中，M是結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣；C是阻尼矩陣；K是剛度矩陣；fext(t)是外部移動(dòng)荷載；R(x,x)是非線性恢復(fù)力。

基于以上模型，對(duì)橋梁荷載性能估算時(shí)，可以將現(xiàn)場車輛調(diào)查的數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，以獲得車輛載荷增，然后利用有限元軟件進(jìn)行不同荷載的瞬態(tài)分析，以得到各自應(yīng)力時(shí)程曲線，具體的程序方法如下：

#include

void main()

{

FILE *fp_in,fp_out;

int start,length;

fp_in=fopen("..\現(xiàn)場車輛調(diào)查","r");

fp_out=fopen("..\車輛載荷增","w");

printf("顯式動(dòng)力學(xué)分析理論 ");

scanf("%d",&start);

printf("橋梁荷載性能估算");

scanf("%d",&length);

char buff[length];

fread(&buff,length,1,fp_in);

fwrite(&buff,length,1,fp_out);

fclose(fp_in);

fclose(fp_out);

}

通過該程序的應(yīng)用，能夠有效地計(jì)算出設(shè)計(jì)基準(zhǔn)內(nèi)車輛荷載的最大值分布，并最終確定車輛荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，從而對(duì)本地區(qū)車輛荷載狀況給予全面分析，對(duì)具體的車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)加以調(diào)整，由此確定車輛荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞性能。

3 結(jié) 語

隨著大量超載車輛的出現(xiàn)，橋梁結(jié)構(gòu)損傷加劇，降低了結(jié)構(gòu)使用壽命。該文主要通過疲勞模型建立，提出了車輛荷載作用下的橋梁使用壽命的計(jì)算方法，該方法可以確定車輛荷載對(duì)橋梁疲勞性能的影響。該方法的應(yīng)用對(duì)于保證車輛通行的安全性與可靠性、提高橋梁的使用壽命具有一定工程意義。

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FatigueAnalysisofHighway-railwayBridgesunderVehicleLoads

XIONGTao
(Wuhan Survey, Design and Research Institute Co，Ltd, China Railway
Eryuan Engineering Group Co，Ltd，Wuhan 430071，China)

With the emergence of a large number of overloading vehicles, the damage of bridge structures increases, and the service life of structure decreases. For this reason, this paper firstly analyzes the calculation method of the vehicle dynamic magnification coefficient, then the calculative and statistical methods of load effect are studied, then it uses the fatigue model established here to calculate the service life of the bridge under the action of the vehicle load. Finally the finite element program for bridge load performance estimation is given and furthermore the influence of vehicle loads on bridges fatigue performance is determined.

highway-railway bridge; vehicle load; fatigue analysis

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.02.033

2014-01-17.

熊 濤(1983-)，工程師.E-mail:34449011@qq.com