重载铁路大跨度斜拉桥正交异性钢桥面板疲劳损伤机理及分析方法研究

With the development of long-span cable-stayed bridge in China heavy-haul railway, the fatigue damage of orthotropic steel deck (OSD) due to the heavy-haul train dynamic loads will be increasingly prominent. Considering the characteristics of loading behaviors and special structural features, the research of fatigue damage mechanism and analysis method of OSD in heavy-haul railway bridge are conducted using theoretical and test methods. Firstly, the multi-scale dynamic model for heavy-haul train-track-long-span cable-stayed bridge coupled system are built by FEM. Then, the non-stationary random vibration responses of crucial details in OSD are analyzed based on the theory of train-bridge coupled random vibration and effective computation method. Furthermore, a new frequency domain fatigue damage evaluation method according to non-stationary random stress power spectral density will be proposed based on the fracture mechanics and fatigue damage cumulative theory. The fatigue damage mechanism of OSD in heavy-haul railway bridge will be revealed based on the influence factor analysis. At last, the reasonability and accuracy of the proposed fatigue damage evaluation method will be verified by laboratory model fatigue test results. Research achievements will enhance the anti-fatigue design, and promote the application of OSD in heavy-haul railway bridge by providing scientific basis and technical support.

随着大跨度斜拉桥在我国重载铁路中应用，重载列车动力荷载作用下的正交异性钢桥面板疲劳损伤将日益突出。本项目针对重载铁路大跨度斜拉桥桥面系受力特征和构造特点，从理论和试验两方面开展疲劳损伤机理和分析方法研究。首先借助有限元方法构建重载列车-轨道-大跨度斜拉桥耦合系统多尺度动力学分析模型；然后结合车-桥耦合系统随机振动分析理论和高效分析方法，开展正交异性钢桥面板关键疲劳细节处非平稳随机振动响应研究；再针对非平稳随机应力功率谱密度，提出基于断裂力学和疲劳损伤累积理论的频域疲劳损伤分析方法；通过钢桥面板疲劳损伤影响因素研究，揭示重载铁路大跨度斜拉桥正交异性钢桥面板疲劳损伤机理；最后，通过室内模型疲劳试验研究，验证理论研究成果。本项目研究成果将对进一步丰富与完善我国重载铁路大跨度斜拉桥正交异性钢桥面板抗疲劳设计提供重要的理论依据和技术支撑。

本项目针对重载铁路大跨度斜拉桥桥面系受力特征和构造特点，从理论和试验两方面开展疲劳损伤机理和分析方法研究，主要研究成果如下：.（1）在车-轨-桥耦合系统动力分析混合模型研究的基础上，提出了基于传递矩阵法和模态叠加法的车-轨-桥耦合系统动力分析改进混合方法，进一步提升了车-轨-桥耦合系统动力分析计算效率；基于固定界面模态综合法和Guyan静力凝聚法，建立了桥梁子结构耦合超单元模型，实现了车-轨-桥耦合系统多尺度动力学建模；.（2）根据车-轨-桥耦合系统模型的振动特性，不同子系统采用不同的时间积分步长，提出了基于异步长方法的高效混合算法；基于CPU-GPU异构平台，结合虚拟激励法和预处理共轭梯度法提出了车-轨-桥系统的并行计算方案，提出车-轨-桥耦合系统随机振动高效并行算法。.（3）通过虚拟激励法将非平稳随机振动问题转化为确定性的时间历程问题，建立了车-轨-桥耦合时变系统随机振动计算模型；基于此模型，将车速和轨道不平顺作为随机变量，从随机的角度开展桥梁局部构件的疲劳寿命评估。.（4）建立了重载铁路大跨度斜拉桥车-轨-桥耦合系统分析模型，研究了该模型的整体与局部振动响应问题，进一步建立精细化正交异性钢桥面板节段模型，开展其力学性能及疲劳损伤研究。.（5）开展重载铁路钢桥现场试验，研究了钢桥服役性能；提出了数字图像相关技术和无网格法混合分析方法，开展正交异性钢桥面板局部疲劳裂纹损伤试验研究。.项目组成员在国内外高水平期刊上已发表学术论文52篇，其中SCI论文21篇，EI论文27篇，CSCD论文4篇；申请并公布国家发明专利4项，获批实用新型专利7项；获批软件著作权13项；培养研究生15名；获2019年国家技术发明二等奖1项，分别获2017年、2019年湖南省科技进步一等奖2项，获2020年湖南省科学技术创新团队奖1项，获2017年中国铁道学会科学技术奖-特等奖1项等。