钢—混凝土组合梁桥腐蚀疲劳研究和疲劳车辆模型优化

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钢–混凝土组合梁由于兼具钢桥自重轻和混凝土桥面耐压的优势,在我国的应用正变得越来越广泛。组合梁桥服役期间同时受到环境腐蚀的间接作用和车辆荷载的直接作用,因此而引起的疲劳损伤也在不断地威胁着这类桥梁的安全。国内外学者对桥梁疲劳和环境腐蚀作用方面进行了大量研究,并得到了一些有意义的成果。然而,目前各国学者对于车辆荷载和环境腐蚀共同作用对疲劳寿命的影响规律的研究还不够充分。我国桥梁的疲劳设计和评估规范中也未考虑腐蚀环境的影响。因此,研究组合梁桥的腐蚀疲劳寿命随车辆荷载的变化规律有助于更准确预测疲劳寿命,为组合梁桥腐蚀疲劳寿命的计算提供参考。此外,标准疲劳车模型的合理性直接关系到公路桥梁疲劳设计和评估结果的准确性。在我国《公路桥涵设计通用规范》中,标准疲劳车模型的参数主要参照欧洲规范,而该模型能否准确地表征我国公路桥梁所受的交通荷载还有待商榷。针对以上问题,本文首先研究了规范中疲劳车辆模型的合理性,指出既有模型存在一定的局限;然后,基于对已有文献中我国交通实测数据的分析,优化了疲劳车辆模型;最后建立了一座典型钢–混组合梁桥有限元模型,结合获得的疲劳车辆模型,计算了不同车重、车流量和环境腐蚀等级下组合梁桥的疲劳寿命,进而研究了不同交通荷载作用下环境腐蚀对其疲劳寿命的影响。具体研究内容如下:(1)通过系统总结已有文献中我国代表性地区的等效模型车辆荷载频值谱,基于Miner线性累积损伤准则,分别计算了此6个地区的车辆荷载和规范中标准疲劳车模型作用下简支梁桥的疲劳损伤,并基于计算结果分析了标准疲劳车模型的适用性。此外,基于文献实测交通荷载数据,对疲劳车辆模型的轴重比和轴距进行了优化,该结果可为我国规范中标准疲劳车模型的制定提供参考。(2)基于建立的某典型钢–混凝土组合梁桥的ANSYS有限元模型,采用移动多点荷载的加载方式,获得了简支梁桥易疲劳细节在不同腐蚀环境、疲劳车车重和日均车流量的影响下的应力时程曲线和相应的应力幅值;然后基于获得的应力结果计算了各工况下组合梁桥的疲劳寿命及腐蚀引起的疲劳寿命降低比例;接着分析了疲劳寿命降低比例随车重和车流量的变化规律。在此基础上,提出了疲劳腐蚀修正系数概念(即考虑腐蚀作用的疲劳寿命与不考虑腐蚀作用的疲劳寿命之比),并给出了利用该系数量化环境腐蚀影响的疲劳寿命计算方法。最后,本文还分析了不同钢梁尺寸对疲劳腐蚀修正系数的影响。
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