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計研究院有限責任公司，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計研究院有限責任公司，武漢 430071)

隨著大量超載車輛的出現(xiàn)，橋梁結構損傷加劇，降低了結構使用壽命。該文首先分析了車輛動力放大系數(shù)的計算方法，其次對荷載效應計算與統(tǒng)計方法進行了研究，然后通過疲勞模型的建立，對車輛荷載作用下的橋梁使用壽命進行計算，最后給出了用于橋梁荷載性能估算的有限元程序，從而進一步確定了橋梁車輛荷載對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到46 000 kg，超過國際體育館“鳥巢”的用鋼量，實現(xiàn)了與武廣客運專線的對接，不僅擴大了武漢城區(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的實力。隨著近年來交通運輸業(yè)的發(fā)展，人們對公路鐵路運營的安全性和可靠性的關注度也不斷提升。現(xiàn)有的公路鐵路、航天航空以及海洋運輸結構等多數(shù)是在振動荷載的環(huán)境下運行的，而這些結構經(jīng)常會因為循環(huán)荷載而產(chǎn)生疲勞破壞。在實際運營中，橋梁結構由于受到各種載重車輛不同反復作用會產(chǎn)生不間斷的擾動力，加上交變荷載的作用，極易導致疲勞損傷和破壞。尤其是隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，運營車輛數(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、設計荷載低等問題，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)場車流量的調查，獲取車輛荷載譜，利用雨流計數(shù)和瞬態(tài)分析、線性累積等來計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，將車輛對橋梁路面的荷載作為一個瞬時的半正弦波沖擊荷載并結合橋梁基頻綜合分析，以獲取車輛荷載的動力放大系數(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，得到相應的極限承載力，而且效果比較明顯。

3)結合現(xiàn)場車流量的調查數(shù)據(jù)，采用瞬態(tài)分析計算不同車軸數(shù)通過橋梁時的動力響應情況，進而得到箱梁應力變化曲線。

根據(jù)以上三點要求，建立橋梁結構的振動疲勞模型，其涉及到振動、動力學、隨機過程和疲勞等多個學科。但是一些學者認為路面的平整度不是影響路面放大系數(shù)的一個主要因素，甚至在到達跨中之前，最大彎矩也會產(chǎn)生。因此，在研究橋梁對車輛的響應分析時，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施加作用的復雜性。據(jù)此，一些研究者得到了具體的車輛動力放大系數(shù)與車速關系曲線，如圖1所示。

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

(1)

其中，

(2)

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

1.1車輛動力放大系數(shù)

對于車輛動力放大系數(shù)的研究，該文主要采用橋梁積分方程進行分析。具體研究時，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，并參照相應車速，將荷載作為一個半正弦的沖擊荷載，最后由橋梁跨度與基頻的關系進行綜合分析。當進行車輛移動荷載下簡支梁橋的動力特性分析時，其耦合振動的分析如圖2所示。

若是不考慮橋梁不平整度的情況，放大系數(shù)主要在零點上下進行波動，當?shù)竭_共振點時，隨著車速的增大而不斷減小。但是由于車輛動力系數(shù)還受其他因素的影響，如輪胎氣壓、汽車載重、輪胎型號等，因此必須充分考慮到輪胎接地面積的動力參數(shù)，以車速作為放大系數(shù)的主要參數(shù)。汽車荷載要進行縱橫向折減，比如說四車道，同時四輛車錯車的概率就會減小，也就是說垂直于車道方向，一般同時只有一輛車，為了避免浪費，可以沿橫向乘以一個系數(shù)折減荷載；縱向折減是因為橋梁越長，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系數(shù)折減荷載。

1.2荷載效應計算與統(tǒng)計

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

1.3橋梁抗疲勞性能

在研究橋梁抗疲勞性能時，主要分為混凝土抗壓疲勞性能和鋼筋抗拉疲勞性能。混凝土抗壓疲勞性能主要涉及到的內容有兩個方面：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曲線方程式在雙對數(shù)坐標系中的表達式為

logN=A+mlogΔσ+C

(3)

通過疲勞研究可對橋梁結構的疲勞壽命進行預測分析，但是關于疲勞研究的起步相對較晚，相關研究理論和方法還不是很完善。因此，在實際研究時，很難滿足工程的精度要求。目前主要用到的方法有應變、應力、損傷、斷裂等，通過以上方法來預測橋梁的壽命。在進行結構測驗時，采用S-N曲線方程，運用結構應力幅對結構的疲勞壽命進行評估。但是由于實際工程中，構件往往會受到多方面的疲勞荷載作用，因此，在計算時，需要將變化的應力幅通過計算得到多個恒定的應力幅，或者是通過相應的方法將其轉化為等效應力幅。

2 橋梁疲勞破壞分析

根據(jù)橋梁荷載動力分析，我們知道上述方法存在著一定的缺陷，為了進一步改進其中的不足，可以采用顯式動力分析程序，這種程序可以模擬真實世界的各種復雜問題，尤其適合于三維和二維非線性結構的非線性動力沖擊問題，具體的程序操作圖如圖3所示。

根據(jù)以上運動方程求解方法并結合顯式動力學分析理論，可得到動力荷載下有阻尼結構體系的運動方程，如下

(4)

式中，M是結構的質量矩陣；C是阻尼矩陣；K是剛度矩陣；fext(t)是外部移動荷載；R(x,x)是非線性恢復力。

基于以上模型，對橋梁荷載性能估算時，可以將現(xiàn)場車輛調查的數(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行不同荷載的瞬態(tài)分析，以得到各自應力時程曲線，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)場車輛調查","r");

fp_out=fopen("..\車輛載荷增","w");

printf("顯式動力學分析理論 ");

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);

}

通過該程序的應用，能夠有效地計算出設計基準內車輛荷載的最大值分布，并最終確定車輛荷載效應的標準值，從而對本地區(qū)車輛荷載狀況給予全面分析，對具體的車輛荷載標準加以調整，由此確定車輛荷載作用下橋梁結構的疲勞性能。

3 結 語

隨著大量超載車輛的出現(xiàn)，橋梁結構損傷加劇，降低了結構使用壽命。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算方法，該方法可以確定車輛荷載對橋梁疲勞性能的影響。該方法的應用對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