铆接桁架桥剩余使用寿命分析与评估

摘要

现在世界各地还存有大量建于20世纪初的铆接钢桁架桥,疲劳已成为控制其使用寿命的主要因素,因而它们的疲劳使用寿命问题得到了工程界的极大关注,但中国这方面的研究开展的较晚,只有少数学者做过为数不多的几座此类的实桥评估,针对中国目前的研究现状,该文系统地探讨了铆接桁架桥的疲劳使用寿命评估问题,主要工作内容有:(1)对公路、铁路桥梁疲劳荷载特征进行了研究.由于公路桥梁受载历史较为复杂,一般很难得到其真实的受载历史,用现在的疲劳荷载代替会得到较为安全的结果.而铁路桥梁疲劳荷载规律性比较明显,主要体现为同种载重的车辆类型的技术参数比较接近、车辆装载情况比较规整(一般为满载或空载两大类),并且有历年的运输密度与车辆装载情况(列车平均牵引辆数、空载率)可以调查,利用以上特点和资料得出典型车辆模型和疲劳荷载谱,能比较真实的反映桥梁的受载历史.该文在疲劳荷载特征基础上针对公路、铁路桥梁分别总结出了一套较为实用的获得疲劳荷载谱的方法,包括交通调查的方法、疲劳荷载谱模型车辆的建立等,并编制了程序利用MONTE-CARLO方法进行了计算机模拟,很好的模拟了疲劳荷载的随机性;(2)对公路、铁路桥梁应力谱的模拟方法进行了研究,解决了公路桥梁疲劳荷载加载过程中的多车效应、铁路桥梁疲劳荷载加载的双线交会效应等一系列问题,并编制了影响线加载程序进行了模拟实现,编制了雨流法计数程序RAINFLOW实现了由应力历程到应力谱的转换;(3)用传统疲劳分析方法分别对一座公路铆接桁架桥——上海市外白渡桥和一座铁路铆接桁架桥——南昌赣江南桥进行了疲劳使用寿命分析,并把计算应力谱与实测应力谱进行了对比,两者较为相近;(4)研究了损伤容限方法评估铆接桁架桥疲劳使用寿命问题,且编制了有限元程序SH_FRAC,此程序可以计算较复杂边界条件下的应力强度因子,较好的解决了断裂力学模型过于简化的问题,并采用了两种断裂模型四种受载模式计算了赣江南桥第十孔吊杆U1L1杆的应力强度因子曲线,并分别利用其进行了该杆的疲劳寿命计算,结果表明:简化的角钢断裂模型由于夸大了构件受载的偏心作用而得出偏安全的结果,不考虑钉载力的断裂模型会由于忽略钉载对局部应力场的作用而得出偏不安全的计算结果.

目录

文摘

英文文摘

第一章引言

1.1问题的提出

1.2疲劳问题的研究历史和现状

1.3铆接钢桁架桥疲劳使用寿命的评估

1.3.1传统疲劳分析方法评估老桥的使用寿命

1.3.2基于断裂力学的损伤容限方法评估铆接钢桁架桥的疲劳使用寿命

1.4本文的工作

第二章公路桥梁疲劳荷载谱及应力谱模拟

2.1公路桥梁疲劳荷载

2.1.1 BS5400疲劳荷载谱与标准疲劳车

2.1.2 AASHTO疲劳货车

2.1.3公路桥梁车辆荷载特征

2.2公路桥梁交通调查及模型车辆的建立

2.2.1交通调查方法

2.2.2模型车辆的建立

2.3应用Monte-Carlo方法模拟车流

2.3.1 Monte-Carlo方法基本原理

2.3.2车流模拟中的若干问题

2.3.3车流模拟公式

2.3.4程序实现

2.4应力历程与应力谱

2.4.1应力影响线

2.4.2应力历程

2.4.3应力循环计数法

2.4.4应力谱

2.5小结

第三章铁路桥梁疲劳荷载谱及应力谱模拟

3.1铁路桥梁疲劳荷载

3.1.1铁路疲劳荷载特征

3.1.2 BS5400典型列车与标准疲劳荷载频值谱

3.1.3我国铁路疲劳荷载研究现状

3.1.4铁路客、货列车运输状况调查

3.2铁路列车荷载谱模拟与应力谱

3.2.1铁路列车荷载谱模拟

3.2.2应力影响线

3.2.3应力谱模拟中的若干实际问题

3.2.4铁路列车加载

3.3小结

第四章铆接桁架桥疲劳损伤与使用寿命评估

4.1上海市外白渡桥疲劳损伤与使用寿命评估

4.1.1桥梁概况

4.1.2外白渡桥交通调查

4.1.3交通荷载模型建立

4.1.4应力谱模拟

4.1.5外白渡桥疲劳损伤计算与使用寿命评估

4.2赣江南桥疲劳损伤与使用寿命评估

4.2.1桥梁概况

4.2.2赣江大桥运输状况调查

4.2.3典型列车荷载模型的建立

4.2.4应力谱模拟

4.2.5疲劳损伤计算与使用寿命评估

4.3小结

第五章铆接桁架桥疲劳使用寿命评估的损伤容限方法

5.1基于断裂力学的损伤容限法

5.1.1宏观断裂的几种形式

5.1.2裂纹端部应力场

5.1.4疲劳裂纹扩展的描述及影响因素

5.1.5损伤检测

5.1.6临界裂纹的确定

5.1.7损伤容限方法评估老桥的疲劳使用寿命过程

5.2断裂力学的有限元法

5.2.1有限元单元类型选取

5.2.2裂纹尖端有限元单元类型

5.2.3计算J－积分的有限元方法

5.3断裂力学有限元程序SH_FRAC

5.3.1程序介绍

5.3.2应力强度因子计算实例

5.4损伤容限方法评估铆接老钢桥疲劳使用寿命实例

5.4.1断裂力学模型的建立

5.4.2 F曲线的计算

5.4.3材料韧性

5.4.4临界裂纹长度的确定

5.4.5剩余寿命计算

5.5小结

第六章结论和展望

6.1主要结论

6.2展望

参考文献

附录

附录1：MONTE-CARLO方法模拟交通车流程序框图

附录2：雨流法程序RAINFLOW程序框图

1.主程序框图

2.RAINFLOW程序变量说明：

3.RAINFLOW1函数程序框图：

4.RAINFLOW2函数程序框图：

5.RAINFLOW程序算例

附录3：JIAZAI程序框图

1.主程序框图

2.函数JIAZAI1程序框图

3.函数JIAZAI3程序框图

4.程序变量说明：

附录4：

1.能量区域积分方法求J积分程序JEVAL4框图

2.变量说明