考虑车桥耦合振动的斜拉桥拉索疲劳损伤分析

摘要

当车列以一定速度过桥时，会对桥梁结构产生动力冲击作用，桥梁振动又将反过来影响车辆的动力效应，这样就形成了一个复杂的多自由度的车桥耦合振动系统。过去的大部分斜拉桥拉索疲劳研究仅考虑车辆荷载的影响，却忽略了车轮和桥面两者之间的相互作用，即车桥耦合振动作用。事实上，桥梁在服役运营期间，现场环境中不确定的不利因素众多，包括风、雨等恶劣天气的自然因素和人为破坏因素等，加上车辆荷载的长期作用，桥面退化程度日益加重，甚至不满足继续服役的条件。而在桥面不平整环境下的车辆行驶势必会引发更不利荷载和振动，这些最终都会导致构件损伤破坏，故合理考虑桥面退化因素是车桥耦合研究的关键点之一。另外，当选取相同的桥面不平整度、不同的车辆行驶速度时，桥梁动态响应的变化也会产生不一样的构件疲劳分析结果。
　　为了更精准有效的进行斜拉桥拉索疲劳性能分析，必须将车桥耦合作用列入考虑范围，其中包括车速变化、车辆荷载变化、路面等级退化等多参数的影响，并建立新的拉索疲劳计算分析模型。本文以合江二桥为工程背景，首先通过建立有限元三维模型可以得到桥梁的相应模态、刚度等数据，将桥梁数据和标准车辆数据、速度以及桥面不平整度等加载到MATLAB车-桥耦合振动分析程序中，即可得到各个构件在移动荷载下的应力谱，进而进行疲劳响应分析和疲劳寿命评估。具体研究内容有:
　　1.编制相关计算程序。基于MATLAB语言编制二阶微分方程的迭代求解程序、车-桥耦合振动分析程序（获取应力时程）和雨流法程序（获取应力谱）。
　　2.建立车-桥耦合振动分析模型、桥面不平整度模型以及随机车流荷载模型，这些是后续进行构件疲劳响应分析的基础。
　　3.基于车-桥耦合振动进行桥梁结构动力性能分析和冲击系数分析。
　　4.通过对比不同随机车流荷载作用下关键疲劳构件的应力时程曲线实现拉索疲劳效应分析，分别考虑了桥面不平整度、车速、车-桥耦合作用等因素的影响。
　　5.通过雨流计数法进行数据处理得到拉索疲劳应力谱，采用线形疲劳累计损伤理论计算拉索疲劳损伤，进而计算构件的疲劳寿命。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 斜拉桥的发展

1．2 斜拉桥的受力特点和主要病害问题

1．3 斜拉桥拉索疲劳破坏

1．3．1 疲劳概念

1．3．2 拉索疲劳研究现状

1．4 车桥耦合研究现状

1．5 本文主要研究工作

第二章 大跨度斜拉桥拉索疲劳分析理论

2．1 车桥耦合振动分析模型

2．1．1 常用车辆模型及其运动方程

2．1．2 桥梁运动方程

2．1．3 车桥耦合系统运动方程的建立

2．1．4 车桥耦合系统运动方程的求解

2．2 桥面不平整度模型

2．2．1 桥面不平整度理论

2．2．2 桥面等级退化趋势

2．2．3 桥面不平整度的模拟

2．3 车流荷载模型

2．3．1 车流荷载基本参数

2．3．2 车流荷载的优化

2．3．3 车流荷载的模拟

2．4 小结

第三章 大跨度斜拉桥结构动力响应和拉索疲劳效应分析

3．1 桥梁模型的建立

3．1．1 工程概况

3．1．2 有限元模型

3．1．3 特征值分析

3．2 车流荷载作用下斜拉桥动力性能分析

3．2．1 80km／h行驶时桥梁跨中振动响应

3．2．2 冲击系数分析

3．3 车流荷载作用下斜拉索疲劳效应分析

3．3．1 车桥耦合振动分析

3．3．2 车速分析

3．3．3 桥面平整度分析

3．4 小结

第四章 斜拉索的疲劳损伤评估

4．1 雨流计数法

4．2 线性准则疲劳损伤分析方法

4．3 疲劳损伤计算

4．4 小结

第五章 结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录