基于实测和外推车辆数据的钢筋混凝土桥梁疲劳性能研究

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钢筋混凝土桥梁在世界各地的公路、铁路工程中应用范围非常广泛。随着桥梁使用时间的累积,经济快速增长,交通量逐年提升,在车辆荷载的作用下,很多桥梁在未达到使用年限就产生影响正常使用的结构损伤,其中不乏因疲劳导致的。通过国内外众多学者研究,大都认可桥梁结构永久荷载在设计使用年限内,基本处于一个稳定的状态,变化幅度较小,且在桥梁结构的设计过程中对永久荷载作用有足够的安全储备,而车辆荷载是一种可变荷载,具有动态性与随机性,设计过程中较难准确考虑车辆荷载对桥梁结构产生的影响。且以往交通荷载研究中,所采用荷载信息与实际车流吻合度不高,且可利用车辆荷载数据时长有限,往往还忽略了横向荷载对桥梁的影响。为了能够快速准确的评估钢筋混凝土桥梁的疲劳特性,提出与实际车流信息吻合度较高的车辆外推模型,并同时考虑横向荷载对桥梁的影响,得出与实际车流作用更吻合的荷载历程与应力幅。由此提出外推长时段应力幅值的计算方法,为分析桥梁性能提供数据支撑。本文针对江西省景德镇某大桥近一年的实测车辆数据进行研究,并选取一座20m跨径的典型T桥梁进行寿命预测。主要工作内容如下:
  (1)选取江西省景德镇某大桥站点利用动态称重(Weigh-In-Motion)系统采集的近一年实测车辆数据对车辆类型、日交通量、车道分布、车间距、车重等情况进行数据调查与统计分析。
  (2)对现行外推方法进行总结分类,对比分析后选择灰色理论法与BP神经网络法进行外推计算。采用本文第2章得到的车辆荷载数据,基于BP神经网络理论,通过MATLAB神经网络工具箱,采用不同轴数的车辆参数为变量,构建出一种短时段外推车辆荷载BP神经网络模型,且与基于灰色系统理论的外推方法进行误差对比。基于车辆外推荷载数据,使用MATLAB软件编写模拟随机车流程序及简支梁跨中弯矩影响线加载程序,在考横向荷载的情况下,计算横向分布系数,得到与实际车流加载更吻合的荷载历程。
  (3)首先分析了车辆荷载与桥梁疲劳寿命的关系,基于本文第3章得到的桥梁疲劳车辆荷载谱为基础,以一典型20m跨径钢筋混凝土简支T型桥梁为背景,在外推车辆荷载作用下,进行桥梁构件应力的计算,然后得出等效等幅应力幅。提出应力幅值外推公式并进行长时段应力幅值外推计算,基于外推应力幅值分析不同轴数的车辆对桥梁疲劳损伤的影响,同时预测钢筋混凝土桥梁的疲劳寿命。
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