一种考虑时变效应的组合梁桥动力疲劳性能分析方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑时变效应的组合梁桥动力疲劳性能分析方法，包括：结合时变桥梁模型和车辆模型建立车桥耦合模型；将时变桥梁模型产生的位移值叠加到预设位置处的轨道不平顺生成新的轨道不平顺激励到车桥耦合模型；预设加载龄期，得到桥梁长期下挠沿跨度的变化曲线和中跨跨中长期变形随时间发展曲线；计算跨中钢梁下翼缘应力和梁端栓钉应力获得关键部位的疲劳应力谱；选取相应的疲劳S

【技术实现步骤摘要】
一种考虑时变效应的组合梁桥动力疲劳性能分析方法


[0001]本专利技术属于疲劳性能分析
，具体涉及一种考虑时变效应的组合梁桥动力疲劳性能分析方法。

技术介绍

[0002]高速铁路钢
‑
混凝土组合箱梁桥在运营阶段除承受自身恒载及环境作用外，还要承受高频次的高速列车的作用。组合桥梁在长期的运营阶段由于混凝土的收缩徐变作用会产生下挠，该作用与高频次的列车荷载耦合作用势必会对组合桥梁关键部位的疲劳性能产生影响。根据大量的试验研究表明，在疲劳荷载作用下，组合桥梁的疲劳破坏通常以跨中钢梁下翼缘与梁端栓钉疲劳破坏为主。因此，有必要对高速列车荷载与长期下挠耦合作用下的钢
‑
混凝土组合梁桥的疲劳性能展开评估，为运营维护提供理论参考。本专利技术对高速列车荷载作用下跨中钢梁下翼缘与梁端栓钉的疲劳损伤进行相关研究，并提出一个行之有效的分析方法。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种考虑时变效应的组合梁桥动力疲劳性能分析方法，用于解决现有技术中缺少一种对高速列车荷载与长期下挠耦合作用下的钢
‑
混凝土组合梁桥的疲劳性能进行准确分析的问题。
[0004]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0005]本专利技术提供一种考虑时变效应的组合梁桥动力疲劳性能分析方法，包括以下步骤：
[0006]S1：建立2节点18自由度的时变桥梁模型和27自由度车辆模型，并通过轮轨接触理论结合所述时变桥梁模型和车辆模型建立车桥耦合模型；
[0007]S2：通过数值模拟轨道不平顺，将所述时变桥梁模型产生的位移值叠加到预设位置处的轨道不平顺生成新的轨道不平顺，将新的轨道不平顺作为激励作用到所述车桥耦合模型；
[0008]S3：预设加载龄期，通过所述车桥耦合模型得到运营节段桥梁长期下挠沿跨度的变化曲线和中跨跨中长期变形随时间发展曲线；
[0009]S4：计算跨中钢梁下翼缘应力和梁端栓钉应力得到高速列车通过桥梁整个时程范围内关键部位的应力变化曲线，再通过雨流计数法统计分析应力历程，获得关键部位的疲劳应力谱；
[0010]S5：选取相应的疲劳S
‑
N曲线，并通过以下公式计算运营阶段关键节点所承受的总疲劳损伤程度D：
[0011][0012]其中，n
i
表示应力幅Δσ
i
的循环次数；N
i
为应力幅Δσ
i
所对应的最大循环数；k为应力幅种类总数。
[0013]进一步，所述时变桥梁模型建立包括以下步骤：
[0014]A1：预设模型准则；
[0015]A2：建立空间坐标系，并通过以下公式表示结构任意一点的位置；
[0016]r(x，y，z)＝xii+yjj+zkk
[0017][0018]其中，ii，jj，kk为x，y，z轴的单位向量，和为混凝土板和钢梁的截面包络区域；
[0019]A3：建立所述时变桥梁模型的位移表达式：
[0020][0021]其中，a为混凝土板；C
S
为组合梁；为整体结构的扭转角；t为混凝土的龄期；u0和v0为整体结构形心的竖向位移，为组合梁形心的z向坐标，表示组合梁形心的y向坐标，y
a
代表混凝土板形心的y向坐标，；为混凝土板形心的纵向位移，za代表混凝土板形心的z向坐标，u0’
和v0’
分别表示u0(x；t)和v0(x；t)对x求导，f
a
为混凝土板的强度函数，是混凝土板和钢梁的剪力滞翘曲形函数，对于U型钢梁，上翼缘板和腹板不存在剪力滞翘曲问题，对于钢梁下翼缘板则需要考虑剪力滞效应。
[0022]进一步，步骤S4中，所述跨中钢梁下翼缘应力的计算包括以下步骤：
[0023]B1：通过步骤A3所述的位移表达式得到钢梁任一点的纵向位移w
s
：
[0024][0025]其中，w
s0
为组合梁形心的纵向位移，为组合梁的剪力滞翘曲形函数，f
s
为组合梁的剪力滞翘曲的强度函数，z
s
为组合梁形心的纵向坐标，y
s
为组合梁形心的y向坐标，u0’
和v0’
分别表示u0(x)和v0(x)对x求导；
[0026]B2：对组合梁中钢梁的纵向位移求导得到钢梁的正应变ε
s
[0027][0028]其中，w
s0
’
，u
0”，v
0“，f
s
’
分别表示对w
s0
，u0’
，v0’
，f
s
对x求导；
[0029]B3：模型任一点的位移可以通过节点位移与相应的寻函数矩阵得到，通过车桥耦合动力分析，得到列车过桥的桥梁单元的节点位移，从而得到跨中钢梁下翼缘位置的纵向位移时程：
[0030]w
s
＝N
se
q
se
[0031]其中，w
s
为钢梁下翼缘纵向位移，q
se
表示钢梁单元的单元局部节点位移向量；N
se
表示该梁单元中与纵向位移场函数w
s
相对应的形函数矩阵；
[0032]B4：通过以下公式计算钢梁单元局部节点位移
[0033][0034]其中，i，j分别指梁单元的两端节点编号；
[0035]B5：通过钢梁的应力
‑
应变关系：σ
s
＝E
s
ε
s
，得到钢梁相应位置的正应力时程，其中，σ
s
为钢梁的正应力，ε
s
为钢梁的正应变，E
s
为钢梁的弹性模型。
[0036]进一步，所述步骤S4中，所述梁端栓钉应力的计算包括以下步骤：
[0037]C1：预设混凝土板与钢梁界面的剪力连接刚度ρ
sh
沿桥梁纵向为定值，通过以下公式确定界面的粘结滑移力q(x)与滑移Δ(x)的关系：
[0038]q(x)＝ρ
sh
Δ(x)＝ρ
sh
(w
s0
‑
w
c0
+v0’
h)
[0039]其中，R为栓钉的抗剪刚度，s为栓钉的纵向间距；
[0040]C2：预设钢
‑
混凝土组合桥梁中钢梁与混凝土板交界面的纵向剪力全部由栓钉承担，通过以下公式求出钢
‑
混凝土组合桥梁梁端单个栓钉的剪应力：
[0041][0042]其中，n表示组合桥梁同一横截面栓钉个数；d
s
表示栓钉截面直径，s为栓钉的纵向间距。
[0043]进一步，步骤S2中，数值模拟轨道不平顺通过轨道不平顺样本进行模拟，所述轨道不平顺样本获取包括以下步骤：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑时变效应的组合梁桥动力疲劳性能分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：建立2节点18自由度的时变桥梁模型和27自由度车辆模型，并通过轮轨接触理论结合所述时变桥梁模型和车辆模型建立车桥耦合模型；S2：通过数值模拟轨道不平顺，将所述时变桥梁模型产生的位移值叠加到预设位置处的轨道不平顺生成新的轨道不平顺，将新的轨道不平顺作为激励作用到所述车桥耦合模型；S3：预设加载龄期，通过所述车桥耦合模型得到运营节段桥梁长期下挠沿跨度的变化曲线和中跨跨中长期变形随时间发展曲线；S4：计算跨中钢梁下翼缘应力和梁端栓钉应力得到高速列车通过桥梁整个时程范围内关键部位的应力变化曲线，再通过雨流计数法统计分析应力历程，获得关键部位的疲劳应力谱；S5：选取相应的疲劳S
‑
N曲线，并通过以下公式计算运营阶段关键节点所承受的总疲劳损伤程度D：其中，n
i
表示应力幅Δσ
i
的循环次数；N
i
为应力幅Δσ
i
所对应的最大循环数；k为应力幅种类总数。2.根据权利要求1所述的考虑时变效应的组合梁桥动力疲劳性能分析方法，其特征在于：所述时变桥梁模型建立包括以下步骤：A1：预设模型准则；A2：建立空间坐标系，并通过以下公式表示结构任意一点的位置；r(x，y，z)＝xii+yjj+zkk其中，ii，jj，kk为x，y，z轴的单位向量，和为混凝土板和钢梁的截面包络区域；A3：建立所述时变桥梁模型的位移表达式：其中，a为混凝土板；C
S
为组合梁；为整体结构的扭转角；t为混凝土的龄期；u0和v0为整体结构形心的竖向位移，为组合梁形心的z向坐标，表示组合梁形心的y向坐标，y
a
代表混凝土板形心的y向坐标，；为混凝土板形心的纵向位移，z
a
代表混凝土板形心的z向坐标，u0’
和v0’
分别表示u0(x；t)和v0(x；t)对x求导，f
a
为混凝土板的强度函数，是混凝土板和钢梁的剪力滞翘曲形函数，对于U型钢梁，上翼缘板和腹板不存在剪力滞翘曲问题，对于钢梁下翼缘板则需要考虑剪力滞效应。3.根据权利要求2所述的考虑时变效应的组合梁桥动力疲劳性能分析方法，其特征在于：步骤S4中，所述跨中钢梁下翼缘应力的计算包括以下步骤：
B1：通过步骤A3所述的位移表达式得到钢梁任一点的纵向位移w
s
：其中，w
s0
为组合梁形心的纵向位移，为组合梁的剪力滞翘曲形函数，f
s
为组合梁的剪力滞翘曲的强度函数，z
s
为组合梁形心的纵向坐标，y
s
为组合梁形心的y向坐标，u0’
和v0’
分别表示u0(x)和v0(x)对x求导；B2：对组合梁中钢梁的纵向位移求导得到钢梁的正应变ε
s
其中，w
s0
’
，u
0”，v
0“，f
s
’
分别表示对w
s0
，u0’
，v0’
，f
s
对x求导；B3：模型任一点的位移可以通过节点位移与相应的寻函数矩阵得到，通过车桥耦合动力分析，得到列车过桥的桥梁单元的节点位移，从而得到跨中钢梁下翼缘位置的纵向位移时程：w
s
＝N
se
q
se
其中，w
s
为钢梁下翼缘纵向位移，q
se
表示钢梁单元的单元局部节点位移向量；N
se
表示该梁单元中与纵向位移场函数w
s
相对应的形函数矩阵；B4：通过以下公式计算钢梁单元局部节点位移其中，i,j分别指梁单元的两端节点编号；B5：通过钢梁的应力
‑
应变关系：σ
s
＝E
s
ε
...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱力，唐庆宸，李佳欢，刘一迪，韩天楠，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：