基于车桥耦合振动精细化分析的公路钢-混凝土组合梁桥的疲劳设计参数研究

The “Guiding Opinions on Promoting the Construction of Highway Steel Bridges” by the Chinese Ministry of Transportation states that the construction of steel bridges will be accelerated during the “13th five-year” period. Vehicle load is the main cause for the fatigue failure of highway steel bridges; therefore, fatigue evaluation should be performed against vehicle load in fatigue design. However, previous research has shown that the bridge fatigue design in both China and the US underestimates the effect of dynamic vehicle loads under real (deteriorated) bridge surface conditions. This may lead to the pre-failure of steel bridge components during their design service period and may even lead to accidents. In this research project, an analytical vehicle model that can represent the main dynamic properties of typical heavy vehicles in China will be first developed; refined bridge-vehicle coupled analysis will then be performed to obtain the stress time history of key bridge components under the action of design vehicle loads; the statistic properties of stress range impact factor and equivalent number of stress cycles of key steel components, local impact factor of bridge deck and important connection components under different bridge surface deterioration conditions will be obtained; more reasonable values of these parameters will be proposed for bridge fatigue design. The research results will provide important theoretical support for revising the relevant fatigue design parameters in the Chinese Specifications for Design of Highway Steel Bridges, and also provide reference for the fatigue evaluation of steel components.

交通部《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》明确指出“十三五”期间我国将大力加强钢结构桥梁的建造。汽车荷载是引起公路桥梁结构疲劳破坏的主要原因，设计中需对其进行疲劳验算。然而，研究表明中美两国钢结构桥梁疲劳设计时均低估了实际桥面状况（存在破损）下车辆荷载动力效应的影响，易造成钢构件在设计使用寿命期内提前发生疲劳失效甚至引发事故。为准确考虑车辆荷载的动力效应，本项目拟建立能代表我国典型重车动力特性的疲劳设计车辆动力分析模型；然后以典型钢-混组合梁桥为研究对象，通过车桥耦合振动精细化模拟分析获得设计车辆荷载作用下桥梁关键部位的应力时程，进而获取不同桥面破损状况下重要钢构件所承受的应力幅冲击系数、等效应力幅个数、桥面和重要连接构件的局部冲击系数等重要参数的统计特性，提出它们合理的设计取值。研究成果将为我国公路钢结构桥梁疲劳设计参数的修订和完善提供重要科学数据，并为钢构件的疲劳评估提供参考依据。

我国《公路钢结构桥梁设计规范》明确指出车辆荷载已成为公路桥梁疲劳损伤、破坏的主要原因。本项目通过车桥耦合振动精细化分析手段，对车辆荷载作用下钢-混组合桥梁重要构件的动力响应进行了研究分析，研究内容有：（1）疲劳设计车辆动力分析数值模型的建立；（2）基于车桥耦合振动精细化分析的桥梁疲劳细节应力计算；（3）基于车桥耦合振动精细化计算的桥梁疲劳设计参数取值的确定。研究重要结果有：（1）提出了适用于中国车-桥耦合振动分析的车辆动力分析模型。基于中国桥梁规范中的设计车辆荷载，结合大量调查统计数据和等效静力分析方法并对比几个不同车辆模型对动力冲击系数的影响，并将实测动力冲击系数与所提车辆模型数值模拟获得的冲击系数进行对比，建立了适用于我国实际情况的代表性车辆动力分析模型；（2）提出了采用响应面法和Fmincon算法相结合的桥梁精细有限元模型修正方法。采用响应面法和Fmincon算法对钢-混组合桥梁的精细有限元模型进行修正切实可行，具有修正过程简单、计算收敛速度快等特点；（3）建立了车桥耦合振动系统精确疲劳应力计算程序。车桥耦合振动系统得到的初始解为位移解，通过获取目标单元精确的形函数，在MATLAB程序中修改得到相匹配的变形矩阵B，从而获得目标单元精确的应力解，为后续准确计算桥梁疲劳损伤及疲劳寿命奠定了坚实的基础；（4）提出了适用于钢-混组合桥梁的应力幅冲击系数设计值。根据车桥耦合振动方程，利用模态叠加技术和四阶龙格库塔法求得了初始位移，通过应力计算程序分析了不同路面平整度等级和不同车辆速度下的应力及应力幅冲击系数，并与AASHTO规范中的疲劳冲击系数进行了对比；（5）提出了波形钢腹板PC箱梁桥自振频率、冲击系数和疲劳设计参数的取值方法，进一步完善了既有桥梁设计规范。本课题研究成果的取得，将为今后我国钢结构桥梁的安全设计、合理评估及可持续发展提供重要的借鉴作用。