用于疲劳可靠性分析的公路桥梁荷载效应研究

2022-12-21

1 公路桥梁设计荷载应注意的问题

1.1 公路桥梁的安全性问题

在公路桥梁设计当中安全问题非常的重要, 并且也是公路桥梁设计的基础, 在实施荷载设计当中, 相关的设计人员需要对公路桥梁的实际交通运输情况进行重视。例如, 对车辆的荷载以及超载情况进行统计, 然后按照实际的状况对荷载实施设计, 以此来确保桥梁的安全性, 防止出现安全事故。

1.2 公路桥梁的耐久性问题

在公路桥梁建设当中往往会消耗一定的人力财力和物理, 若是所投入的资源比较多, 但是桥梁的使用寿命又比较段, 很难实现其经济性以及社会效益, 所以, 在对公路桥梁的荷载设计当中就需要加强对于桥梁的耐久性的重视。

1.3 公路桥梁的适用性问题

公路桥梁在建设中其主要目的就是为了能够满足其自身的实际应用功能, 在这当中最为关键的就是其适用性。比如, 在桥梁设计当中对于人行道是否设计, 一些桥梁在设计中设置了人行道, 一些没有, 这就是公路桥梁的适用性问题。

2 公路桥梁应力幅谱的模拟计算

对疲劳寿命产生影响的主要因素就是应力幅, 其主要就是公路桥梁的结构在实际的荷载作用中某个点应力max和应力min之间的差异。在车辆的设计荷载作用当中, 对于桥梁的构件往往会产生随着时间所出现变化的应力发展历程, 从该应力历程当中获得一定的应力幅。通常, 对于应力幅获取的主要方法就是两种方法, 分别是实测法和模拟计算法。因为在实际的测量中其采集的数据离散型比较大, 很难对统计分析实施支撑, 因此本文主要采用模拟计算方法实施分析, 按照既有交通运输资料分析的基础上对公路桥梁的荷载谱实施分析。

在这当中, 在对某个道路超载车辆资料进行分析的基础上进行疲劳车辆荷载模式的制定, 根据车辆的实际类型可以将所有采集的样品分为九类车辆, 对每一种车型样本数据当中的轴重均值作为其和车辆荷载的轴重。将所有选择的车型对其横向轴之间的距离取为1.8m, 对于其纵向之间的距离按照实际测量来进行。由于车辆在桥梁的通行中是一种随机行为, 车型以及车重和车间距往往都是随着时间的变化而产生变化。车辆荷载按照车流量的不同主要可以将其分为两种, 分别为一般运行状态以及密集运行状态。按照实际的统计分析可以得出, 车辆重量以及轴重和一般运行状态、密集运行状态的车距都需要能够依从对数正态分布, 密度函数为:

在该道路超载车辆的实际调查分析中, 将疲劳车辆模型作为基础, 按照车辆的分布概率采用相关的数据统计分析工具进行数列的随机抽取, 从而建立完善和交通调查结果相对应的一种关系, 并且对不同运行状态下的疲劳车辆模型数据库实施完善, 实施随机车辆的荷载谱的模拟, 如图1、图2所示。

通过模拟所产生的随机荷载谱主要就是相关较为离散的集中性荷载序列陆续从桥面驶过, 对于该过程是一种运动加载过程, 采用ANSYS参数化设计语言APDL编程加载以此对车辆荷载中桥梁的应力-时间历程曲线进行求解, 然后采用雨流法将应力谱进行获得。

3 用于疲劳可靠性的公路桥梁荷载效应实际分析

为了确保结果的通用性, 本文主要就采用较为常见的跨径为20m简支T梁桥对疲劳车辆在通过桥梁时其应力实施分析。某T型桥梁标准跨径为20m, 计算跨径为19.5m, 公路的设计荷载为II级, 主筋采用的是HRB335钢筋, 其它用R235钢筋。模型尺寸见图3。

本文主要选取100辆随机车辆组成车队, 对车辆通过桥面的速度保持在36km/h, 在采用一般运行状态下车辆的间距比较大, 所有车辆通过桥面的时间大概为17.5min, 在采用密集运行状态中车辆的间距比较小, 所有车辆通过桥面所需要的时间为2.5min。按照状态的不同其疲劳荷载谱所随机生成的车辆在该简支T梁桥当中加载, 并且在采用ANSYS参数化中对瞬态分析所获得疲劳车辆的实际作用中简支梁上的跨中弯矩时程曲线。

所有车辆在通过桥面时的弯矩主要是恒载以及活载一起作用下所形成的弯矩。通过实际的计算梁的横向分布系统最大为0.504, 所以在车辆的荷载作用中简支梁的弯矩不利情况中为:

叠加边梁恒载后的弯矩为:

按照上式所计算的弯矩时程曲线, 在结构分析的基础上对模型实施计算所获得的跨中顶部压区混凝土应力以及跨中最底部纵筋应力时程曲线。在采用雨流法对数量计算中以后可以获得一般运行和密集运行状态中的应力频值谱图。通常, 因为应力幅小于0.5MPa在一定意义上对于混凝土结构的疲劳损失不是很大, 因此本文采用对应力幅临界值进行逐渐的过滤缩短循环, 所获得的一般运行以及密集运行状态应力谱为图3和图4。

在车辆荷载作用下对于钢筋混凝土桥梁的下跨中上缘混凝土的疲劳损失小于跨中下排主筋, 所以就可以认为该桥梁的疲劳强度主要就是从跨中下排主筋控制。

通过该模型可以看出, 在数量相等以及种类相同的车辆在通过桥梁时, 其处于密集运行状态中所产生的荷载效应其绝对值往往很大, 然而在密集运行中车辆所产生的持续性高应力, 桥梁的构件关键应力差值和一般运行状态相比较比较小, 所以其自身的等效应力幅也很小。通过相关分析, 疲劳极限状态和承载能力的极限状态是不同的, 并且其之间的绝对值联系不是很大, 其主要由应力幅值和循环次数来决定。在数量相等以及种类相同的车辆在通过桥梁时, 一般运行状态所产生的疲劳损伤和密集运行状态下的疲劳损伤相比较一般运行状态疲劳损伤大很多。

结语

通过上述相关分析, 在车辆以及种类相同的状态下, 密集运行状态中所产生的荷载效绝对值比较大, 然而因为密集运行中的车辆所产生的持续性集中高应力, 因此桥梁构件关键截面应力差值和一般状态相比较很小, 所以其等效应力幅偏小。

摘要：在当前的现役公路桥梁当中超载现象很常见, 大部分公路桥梁都是在上个世纪所建造的一些设计荷载比较低, 由于常年高负荷运行使得这些公路桥梁成为危桥。车辆荷载等级在不断提升以及超载车辆运行给现役桥梁带来疲劳累计以致于桥梁的运行寿命降低以及耐久性降低, 对于公路桥梁的线路运行带来一定的影响。因此本文主要就对用于疲劳可靠性分析的公路桥梁荷载效应进行研究。

关键词：疲劳可靠性,公路桥梁,荷载效应