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车辆荷载作用下钢筋混凝土桥梁的疲劳分析

作　者: 刘晓伟
导　师: 尹冠生
学　校: 长安大学
专　业: 工程力学
关键词: 疲劳动力放大系数有限元车辆荷载谱超载
分类号: U448.34
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

航空航天、公路铁路以及海洋运输等领域中的结构很多都是在振动荷载环境下工作的，并且这些结构经常会因为循环荷载的作用而产生疲劳破坏。实际运营中桥梁由于各种载重车辆的反复作用产生的不间断的扰动（交变）荷载作用下，容易导致疲劳损伤和破坏的发生。随着我国国民经济的飞速发展，运营的车辆数量和载重都急速增加，大量现有桥梁普遍存在设计荷载低、承载能力不足等问题，所以研究桥梁在车辆荷载作用下的疲劳分析迫在眉睫。本文从静载作用下桥梁的承载力和循环车辆荷载作用下桥梁使用寿命进行计算，进而分析研究车辆超载对桥梁的影响。利用显式动力学有限元软件计算和模拟了桥梁在静载下的极限承载力。并通过现场车流量调查获得车辆荷载谱，利用瞬态分析、雨流计数法、线性累积损伤理论来计算桥梁使用寿命，最后讨论了车辆超载情况下对桥梁寿命的影响。此外，本文还研究了车速与车辆的动力放大系数之间的关系。文章的主要创新工作为：1、本文不考虑桥梁路面不平整度情况下，将车辆对桥面的荷载看作一个瞬时的半正弦波冲击荷载。然后结合桥梁基频进行分析，试图得到车辆荷载放大系数的新思路。2、本文利用H-J-C作为混凝土材料模型和PLASTIC-KINEMATIC作为钢筋材料模型，用数值模拟箱梁在极限承载力下的破坏，效果显著。3、本文通过现场车流量调查获得车辆荷载谱，利用瞬态分析计算不同车轴数车辆通过桥梁时的动力响应，得到箱梁内钢筋的循环轴向应力变化曲线。使用雨流计数法对前面所得的钢筋循环轴向应力变化曲线进行分级后，以线性累积损伤理论来计算桥梁使用寿命，并讨论了超载对桥梁寿命的影响。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第一章绪论  9-21
  1.1 研究背景及意义  9
  1.2 研究现状  9-19
    1.2.1 车辆动力放大系数  9-11
    1.2.2 疲劳与 S-N 曲线  11-14
    1.2.3 混凝土抗压疲劳性能和钢筋抗拉疲劳性能  14-15
    1.2.4 疲劳寿命评估的方法  15-16
    1.2.5 疲劳荷载谱  16-17
    1.2.6 雨流计数法(Rain-flow Method)  17-18
    1.2.7 Miner 线性累积损伤理论  18-19
  1.3 本文研究内容和方法  19-21
第二章车辆动力放大系数  21-38
  2.1 移动车辆荷载和桥梁积分方程耦合振动分析  21-29
    2.1.1 简支梁桥在移动车辆荷载下的模态分析  21-24
    2.1.2 车辆动力方程和轮胎动力学方程  24-27
    2.1.3 车桥耦合振动的解答  27-29
  2.2 考虑轮胎接地面积和车速的动力放大系数研究  29-37
    2.2.1 车辆冲击频率的选取  30-32
    2.2.2 桥梁固有频率  32-34
    2.2.3 车辆冲击荷载计算公式  34-35
    2.2.4 计算举例  35-37
  2.3 本章小结  37-38
第三章桥梁在极限荷载作用下的破坏分析  38-53
  3.1 显式动力学分析理论  38-47
    3.1.1 中心差分法  39-40
    3.1.2 隐式线性加速度法  40
    3.1.3 线性加速度法结构动力显式的建立  40-41
    3.1.4 Newmark- 法  41-43
    3.1.5 HHT- 法  43-44
    3.1.6 HHT- 方法——增量公式  44-45
    3.1.7 单自由度双线性迟滞行为模拟  45-46
    3.1.8 牛顿－拉夫森(Newton-Raphson)非线性行为的迭代解  46-47
  3.2 材料模型  47-49
    3.2.1 混凝土的 H-J-C 材料模型  47-49
    3.2.2 钢筋材料模型  49
  3.3 桥梁在极限荷载作用下破坏  49-52
    3.3.1 材料模型  49-50
    3.3.2 桥梁在极限荷载作用下破坏  50-52
  3.4 本章小结  52-53
第四章桥梁疲劳寿命估算  53-65
  4.1 车辆信息的获得  53-54
  4.2 有限元模型的建立  54
  4.3 静力分析和疲劳寿命云图  54-55
  4.4 动力响应分析  55-58
  4.5 实验确定钢筋 S-N 曲线  58-61
  4.6 利用雨流法分级并利用 Palmgren-Miner 准则进行寿命预测  61-62
  4.7 超载情况下对桥梁寿命的影响  62-63
  4.8 本章小结  63-65
第五章结论与展望  65-67
参考文献  67-71
攻读学位期间取得的研究成果  71-72
致谢  72

车辆荷载作用下钢筋混凝土桥梁的疲劳分析

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