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千厮门大桥运营阶段应力监测及疲劳损伤土木工程分析

时间:2019-01-17 21:14来源:硕士论文作者:lgg 点击:
本文是一篇土木工程论文,土木工程专业旨在培养适应社会主义现代化需要,具有扎实的技术基础理论和必要的专业知识、较强的外语和计算机应用能力,有一定的分析解决工程实际问题能力。
本文是一篇土木工程论文,土木工程专业旨在培养适应社会主义现代化需要,具有扎实的技术基础理论和必要的专业知识、较强的外语和计算机应用能力,有一定的分析解决工程实际问题能力及工程设计能力,有初步的科学研究、科技开发能力和管理能力的铁道工程高级专业技术人才。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇土木工程论文,供大家参考。
 
第一章 绪论
 
1.1 钢桥疲劳研究背景
得益于钢铁冶炼技术的迅速发展同时为了满足日常交通运营的需求,通过资料查询得知,我国目前一直沿用着一些从上世纪初期至建国时期修建的钢桥甚至有的还是当时外国人在中国修建的。有将近 1 万多孔[1]的铆接钢桥已经运营了超过50 年。由于我国国内的战争原因、经济低迷以及钢铁资源比较稀缺等原因在 80 年代以前[2][3]钢桥的发展比较缓慢,1894 年由近代铁路工程师詹天佑负责修建的具有历史意义的滦河大桥是集合了自主设计,自主制造以及由自主安装的第一座钢桥。而说到桥梁界的骄傲就不得不提到驰名中外的我国著名桥梁专家茅以升在 1937 年设计以及建筑修建,也是由中国人自己主持的第一座公轨两用的现代钢桥-钱塘江大桥。现代钢桥的发展得益于钢铁冶炼技术的提高,区别于 19 世纪以前的桥梁的材料以铸铁和锻铁为主,结构形式的多样以及跨径也随之得到了增长[2][3],而到 1980年以后,我国实行改革开放政策随着经济、交通的发展,我国的桥梁也迎来了辉煌发展的时机。随着一批批设计新颖、结构复杂且施工难度大的大跨径桥梁的出现,如 1997年建成通车的全球第八长的悬索式吊桥香港青马大桥、2005 年建成通车的中国第一大跨径的组合型桥梁润扬大桥、2006 年建成通车的世界第三长的杭州湾跨海大桥、2008 年建成通车的苏通大桥以及 2017 年 5 月顺利合龙的港珠澳大桥等一批在我国交通建设史上大放异彩的技术难度大的钢桥相继出现也反映出了我国在钢桥的建造设计领域已经名列前茅。如图 1-1 列出了近些年国内修建的部分钢桥资料。
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1.2 钢桥疲劳问题的研究历史和现状
 
1.2.1 钢桥疲劳问题的研究历史
关于疲劳问题早在 19 世纪初就已经开始有人对其进行研究。欧洲伴随铁路运输业的发展,人们关于第一个工程中疲劳问题的探讨发生在车轮的车轴的疲劳破坏上。随后伴随着桥梁建设的兴起,疲劳问题的兴起,逐渐引起大家的重视。1854年“疲劳(Fatigue)”首次由 Braithwaite 的论文提出。而在 1852 年~1870 年期间对疲劳问题进行第一次系统的长期性实验研究的则是一位从事与铁路工作叫做W hler 的德国工程师,通过对铁路车轮的车轴进行试验以及在不同的应力状态下的疲劳试验,当钢材在荷载的反复作用下其自身强度会远远低于自身的静载强度即应力还没达到弹性极限时构件就已经疲劳破坏了。他还发现,存在一个疲劳极限值,只要低于这个疲劳极限值的应力幅就不会对结构产生疲劳破坏。并且当应力幅越大则结构的疲劳寿命越小,两者呈现一定相关性。由此提出了疲劳-寿命曲线即 S-N 曲线及疲劳极限的概念。认为疲劳应力幅的大小是影响疲劳寿命的关键因素,奠定了人们对于金属疲劳研究的基础。1874 年的时候由德国工程师 H.Gerber 提出计算疲劳寿命时要结合平均应力这个因素的方法。1884 年 J.Bauschinger 发现了关于研究疲劳问题循环应力与应变之间的关系时存在“疲劳软化”的现象,也就是现在的“包辛格效应”。1910 年O.H.Basquin 研究疲劳问题时发现金属材料的应力与循环次数的双对数函数图像呈线性关系。1945 年 M.A.Miner 在自己关于疲劳损伤方面的大量实验研究的前提下再结合瑞典工程师 J.V.Palmgren 提出的线性累积损伤理论的基础上重新提出了损伤与应力循环成线性关系,将这套理论用公式表示出来。也就是现在的Palmgren-Miner 线性累计损伤准则。随即这套理论由于他的简洁方便性在钢桥抗疲劳设计以及传统疲劳方法评估疲劳寿命方面沿用至今。1962 年英国的钢桥规范BS153 就将 Palmgren-Miner 准则列入其中成为计算变幅疲劳问题时的计算方法。
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第二章 疲劳设计验算分析理论
 
2.1 疲劳的概念
疲劳是指在受到外部作用产生反复的应力或者反复的应变,结构构件中的某个位置产生裂纹并扩展甚至断裂,使结构产生破坏的外部作用大小没有达到材料的强度极限却使得结构构件失效或破坏。疲劳的破坏过程可以概述为:首先在交变作用(可以是交变荷载也可以是交变应变)下,通过一定数量的循环作用后,构件的薄弱部位会出现裂纹,随着交变作用的增加,裂纹也继续扩展,随后出现有小片的构件脆片掉落直至断裂,称之为疲劳破坏,而结构抵抗外部交变作用产生疲劳破坏的能力称之为材料疲劳强度[21]~[23]。疲劳破坏发生时为了分析方便把疲劳破坏断口分成疲劳源区(疲劳裂纹形成)、疲劳扩展区(疲劳裂纹扩展)和瞬时断裂区(疲劳裂纹瞬断)三个区,构件在外部循环作用的交变作用下,构件的薄弱位置处的晶粒的最大应力集中处产生微裂纹,随着交变作用次数的增加,微裂纹也逐渐扩展增加成为宏观裂纹直至断裂发生产生疲劳破坏。疲劳破坏都要经历这三个过程,其实对于钢结构,往往是经过两个阶段,因为钢材的本身就存在着内部微小的初始缺陷,而这些微小的初始缺陷就相当于裂纹。疲劳问题与一般的强度破坏问题不同,构件的使用条件和使用环境都会对疲劳破坏产生影响。引起疲劳破坏的外部作用一般都低于材料的极限强度有时候可能会低于屈服强度,而且疲劳是个损伤累积的结果。疲劳破坏的位置往往是构件有缺陷的位置、反复交变作用较集中处或者作用次数较多的地方。也正是因为疲劳破坏的破坏特性往往是突然脆性破坏,虽然疲劳破坏是长期累积作用下来的结果,但是在疲劳破坏发生前,没法观察到结构构件明显的变形,所以属于脆性破坏的钢材疲劳破坏具有突发性,其危险性比塑形破坏更大。工程界相对于脆性破坏人们更希望是塑性破坏,因为在塑形破坏之前人们可以直观发现结构产生的变形,可以在破坏前做好防范措施,因此结构的疲劳问题的确值得人们更加的重视。
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2.2 钢桥抗疲劳设计理论
其实疲劳按照引起疲劳效应的原因可以有机械疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳等[22]。机械疲劳就是指结构在交变作用下由机械力作用引起的疲劳。当交变作用的形式改变时也会有不同的分类,如:当引起疲劳时的交变作用的应力幅是否一致又可分为常幅疲劳与变幅疲劳,当交变作用应力幅和频率都不一致时又可称之为随机疲劳。机械疲劳如果作用在结构上的交变作用次数较多且他的破坏时的疲劳应力不高甚至才达到材料屈服极限的三分之一,而且他的疲劳寿命主要是由裂纹的萌生所表征,高周疲劳作用时构件材料处于线弹性阶段,则称之为高周疲劳,承受高周疲劳作用的构件一般能够承受 105次交变作用。相应的也有低周疲劳,低周疲劳往往作用在构件上的交变作用应力较大,有可能会接近甚至超过材料的屈服极限,材料的应力应变曲线不在是一条直线,而是呈现为滞回曲线,应力循环作用次数较少一般少于 104次,低周疲劳的每次作用在构件上都会产生塑性变形。其实低周疲劳破坏就是塑性变形累积到一定程度后的破坏,所以也可以把低周疲劳称之为塑性疲劳。热疲劳产生的条件则是要有循环交变的温度变化,以及对构件的外部边界进行约束。当温度循环交变时构件由于外部存在边界条件的约束使得构件内部的膨胀收缩产生循环交变的热应力,因此产生热疲劳。腐蚀疲劳则是在外部交变作用以及腐蚀环境共同作用下的疲劳破坏。称之为腐蚀疲劳。
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第三章 千厮门大桥荷载谱的确定.............19
3.1 疲劳荷载模型规范规定.............19
3.2 荷载应力分析处理理论.............21
3.2.1 实测法........22
3.2.2 应力历程的处理..............23
3.2.3 变幅与常幅应力幅的转换.........25
3.3 荷载谱及标准疲劳轴载的制定............26
3.3.1 重庆轻轨六号线轨道车辆参数............27
3.3.2 重庆轻轨六号线轻轨疲劳荷载谱的制定.......28
3.3.3 轻轨标准疲劳轴重计算.............30
3.4 本章小结....31
第四章 实桥应力模型分析及监测试验.....32
4.1 依托工程概述.......32
4.2 千厮门大桥有限元模型的建立............33
4.3 实桥应力监测准备..........35
4.4 局部应力历程的模拟......44
4.5 实测法分析...........48
4.6 本章小结....53
第五章 千厮门大桥结构疲劳状况分析.....55
5.1 疲劳寿命的评估方法......55
5.2 疲劳损伤累积理论..........59
5.3 千厮门大桥结构疲劳损伤度及剩余疲劳寿命分析.............62
5.4 本章小结....66
 
第五章 千厮门大桥结构疲劳状况分析
 
对钢桥结构构件进行疲劳寿命评估是非常关注的问题,可以说工程人员和设计人员对构件进行疲劳分析就是为了得到构件的疲劳寿命这个目标。钢桥的疲劳寿命评估不同于别的结构疲劳寿命评估,因为其自身结构的重量就大,所以导致平均应力m  比较大,桥梁的上部动荷载比较大相应的结构构件的应力幅也比较大等。疲劳分析是一门交叉的学科,需要断裂力学、材料力学、结构力学、统计分析等等学科的支撑,并且对结构构件进行疲劳分析还需要得到构件的材料特性、能够得到实际的荷载谱、构件的 S-N 曲线、以及选择一种合适的疲劳损伤累积理论对疲劳损伤进行累积后判断疲劳寿命等,疲劳分析的过程中间还要将各种影响构件抗疲劳性能因素考虑进去,所以要进行精确的疲劳寿命的分析是不现实,就目前而言也只能做到尽可能多的考虑各个疲劳影响因素的影响,进行尽可能准确的疲劳寿命估算[43]。
 
5.1 疲劳寿命的评估方法
目前,主要疲劳寿命评估方法有三种:传统疲劳寿命评估方法、基于断裂力学的疲劳寿命评估方法和基于损伤力学的疲劳寿命评估方法。传统的疲劳分析方法得到的其实是一种经验公式。传统的疲劳寿命分析方法是基于构件材料的 S-N 曲线和 Palmgren-Miner 线性累积损伤准则而使用的,具体方法包括名义应力法和局部应力应变法两种。在钢桥中名义应力法的控制量就是名义应力,依据相应的 S-N 曲线,再采用能代表桥梁实际交通情况的疲劳荷载谱加载分析。结合合适的损伤累积法则就可以预测出桥梁构件的疲劳寿命。虽然这是个经验公式,但是这是基于大量试验数据基础上的推导而来,有一定的普遍性和较高的可信度,此计算方法为各个国家桥梁计算疲劳的规范所采纳,因而在工程中应用的比较广泛。传统疲劳寿命设计方法需要确定好疲劳细节,且要模拟疲劳荷载及应力谱才能进行桥梁的疲劳计算。该方法主要是运用于高周低应力循环的情况,本文研究的钢结构桥梁就适合该方法计算疲劳寿命。局部应力应变法是将名义应力谱转换成关键薄弱部位的局部应力应变谱,结合应力应变历程估算其疲劳寿命。
......
 
结论
 
本文主要以重庆嘉陵江千厮门大桥为研究背景,当前对于公轨两用城市轨道交通钢结构桥梁疲劳分析疲劳荷载谱方面国内缺少相关的规定,因为轻轨车辆具有多个车厢及轴重荷载等特殊性,对桥梁结构作用时产生的有效疲劳应力幅较复杂,进而影响到桥梁结构的疲劳损伤计算分析。故本文结合理论模型及实际应力监测进行分析工作及结论:
(1)根据分析轻轨六号线客流量数据并结合轻轨六号线的发车运营情况可以制定出千厮门大桥日疲劳荷载谱以及基于轻轨六号线全线所有站点间的客流量分析得到的轻轨六号线全线疲劳荷载频值谱。再根据等效轴重换算方法得到相应的标准疲劳轴载,重庆轻轨六号线车辆作用千厮门大桥的等效标准疲劳轴重为94.33kN,全线轨道交通六号线的等效疲劳轴重为 92.29kN。结合轻轨车辆的运营特殊性,取实际轴距等车辆参数即可得到轻轨六号线的标准疲劳荷载车辆模型。
(2)采用 Midas/Civil 有限元分析软件建立桥梁整体模型,将依靠客流量分析得到的轻轨疲劳车荷载模型及上层车辆布载分析,确定千厮门大桥结构的抗疲劳薄弱位置,为千厮门大桥运营阶段的实桥应力监测提供测点位置。通过分开加载移动荷载分析桥梁结构的应力情况,得到上层车辆荷载对千厮门大桥桥梁下层结构的影响较小,对下层结构产生疲劳作用的主要是下层轻轨六号线车辆的加载。两者对下层结构产生的应力幅相对差近 90%。故对千厮门大桥桥梁下侧结构进行设计应力监测试验,分析轻轨荷载对下层结构产生的实际有效疲劳应力幅大小及次数。采用 ANSYS 有限元软件以千厮门大桥的标准横断面为依据,做节段局部建模分析,模拟轻轨六号线车辆的加载得到关心位置的理论应力历程。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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