熊 涛

(中铁二院武汉勘察设计研究院有限责任公司，武汉 430071)

车辆荷载作用下公铁两用桥梁的疲劳分析

熊 涛

(中铁二院武汉勘察设计研究院有限责任公司，武汉 430071)

随着大量超载车辆的出现，桥梁结构损伤加剧，降低了结构使用寿命。该文首先分析了车辆动力放大系数的计算方法，其次对荷载效应计算与统计方法进行了研究，然后通过疲劳模型的建立，对车辆荷载作用下的桥梁使用寿命进行计算，最后给出了用于桥梁荷载性能估算的有限元程序，从而进一步确定了桥梁车辆荷载对桥梁疲劳性能的影响。

公铁两用桥梁； 车辆荷载； 疲劳分析

武汉天兴洲公铁两用长江大桥用钢量达到46 000 kg，超过国际体育馆“鸟巢”的用钢量，实现了与武广客运专线的对接，不仅扩大了武汉城区公路和铁路的过江通行能力，而且向世人展示了中国桥梁建设的实力。随着近年来交通运输业的发展，人们对公路铁路运营的安全性和可靠性的关注度也不断提升。现有的公路铁路、航天航空以及海洋运输结构等多数是在振动荷载的环境下运行的，而这些结构经常会因为循环荷载而产生疲劳破坏。在实际运营中，桥梁结构由于受到各种载重车辆不同反复作用会产生不间断的扰动力，加上交变荷载的作用，极易导致疲劳损伤和破坏。尤其是随着我国国民经济的发展，运营车辆数量以及载重也在急速增加，而现有的多数桥梁普遍存在承载力不足、设计荷载低等问题，因此，研究公铁两用桥梁在车辆荷载作用下的疲劳性能迫在眉睫。

1 疲劳模型建立

通过现场车流量的调查，获取车辆荷载谱，利用雨流计数和瞬态分析、线性累积等来计算桥梁荷载以及疲劳性能。为了改变传统研究方法的不足，采用以下创新方法进行研究：

1)可以在不考虑桥梁路面不平整度的情况下，将车辆对桥梁路面的荷载作为一个瞬时的半正弦波冲击荷载并结合桥梁基频综合分析，以获取车辆荷载的动力放大系数。

2)利用HJC模型，将其作为混凝土材料模型，采用数值模拟箱梁，得到相应的极限承载力，而且效果比较明显。

3)结合现场车流量的调查数据，采用瞬态分析计算不同车轴数通过桥梁时的动力响应情况，进而得到箱梁应力变化曲线。

根据以上三点要求，建立桥梁结构的振动疲劳模型，其涉及到振动、动力学、随机过程和疲劳等多个学科。但是一些学者认为路面的平整度不是影响路面放大系数的一个主要因素，甚至在到达跨中之前，最大弯矩也会产生。因此，在研究桥梁对车辆的响应分析时，可以使用相向而行的两辆车作为模拟量，以简化多辆车辆同时施加作用的复杂性。据此，一些研究者得到了具体的车辆动力放大系数与车速关系曲线，如图1所示。

有些研究者认为考虑路面不平整度时，也可获得动力有前效放大系数，并给出了考虑路面不平整度时的具体计算方法，如下

(1)

其中，

(2)

式中,r(xi)表示xi方向上的桥梁路面的评价；hu表示每单位斜坡长度上的垂直距离；DAE表示此处总的动力放大系数；公式中DAFsmooth为光滑平面的动力放大系数；DNFunit是单位斜坡上的动力放大系数；N表示桥梁路面的斜坡数量。

1.1车辆动力放大系数

对于车辆动力放大系数的研究，该文主要采用桥梁积分方程进行分析。具体研究时，可以忽略路面不平整度的影响，在这里以车速作为放大系数的主要研究参数。首先利用轮胎在纵向接地压力的分布变化曲线，并参照相应车速，将荷载作为一个半正弦的冲击荷载，最后由桥梁跨度与基频的关系进行综合分析。当进行车辆移动荷载下简支梁桥的动力特性分析时，其耦合振动的分析如图2所示。

若是不考虑桥梁不平整度的情况，放大系数主要在零点上下进行波动，当到达共振点时，随着车速的增大而不断减小。但是由于车辆动力系数还受其他因素的影响，如轮胎气压、汽车载重、轮胎型号等，因此必须充分考虑到轮胎接地面积的动力参数，以车速作为放大系数的主要参数。汽车荷载要进行纵横向折减，比如说四车道，同时四辆车错车的概率就会减小，也就是说垂直于车道方向，一般同时只有一辆车，为了避免浪费，可以沿横向乘以一个系数折减荷载；纵向折减是因为桥梁越长，桥上全部布满车的概率就越小，而且考虑车辆间距，因此沿着纵向乘以一个系数折减荷载。

1.2荷载效应计算与统计

对于公路桥梁而言，可靠度的分析所要引用的是车辆荷载效应的概率分布及其统计参数，而且车辆荷载是以多个参数影响着产生于桥梁结构中的效应。因此，在进行效应计算时，需要做到以下方面：1)桥梁结构局部应变主要通过直接测量来实现，利用MSNSON公式将应变参数作为疲劳寿命评估系数；2)通过轴重、轴距的反复大量试算，得到满足于荷载效应的参数，以有效提升其疲劳精度，而且数值比应力值的分析结果更精确。

1.3桥梁抗疲劳性能

在研究桥梁抗疲劳性能时，主要分为混凝土抗压疲劳性能和钢筋抗拉疲劳性能。混凝土抗压疲劳性能主要涉及到的内容有两个方面：一是单轴抗压疲劳，一是双轴抗压疲劳。而在钢筋抗拉疲劳性能的研究中，钢筋的疲劳S-N曲线方程式在双对数坐标系中的表达式为

logN=A+mlogΔσ+C

(3)

通过疲劳研究可对桥梁结构的疲劳寿命进行预测分析，但是关于疲劳研究的起步相对较晚，相关研究理论和方法还不是很完善。因此，在实际研究时，很难满足工程的精度要求。目前主要用到的方法有应变、应力、损伤、断裂等，通过以上方法来预测桥梁的寿命。在进行结构测验时，采用S-N曲线方程，运用结构应力幅对结构的疲劳寿命进行评估。但是由于实际工程中，构件往往会受到多方面的疲劳荷载作用，因此，在计算时，需要将变化的应力幅通过计算得到多个恒定的应力幅，或者是通过相应的方法将其转化为等效应力幅。

2 桥梁疲劳破坏分析

根据桥梁荷载动力分析，我们知道上述方法存在着一定的缺陷，为了进一步改进其中的不足，可以采用显式动力分析程序，这种程序可以模拟真实世界的各种复杂问题，尤其适合于三维和二维非线性结构的非线性动力冲击问题，具体的程序操作图如图3所示。

根据以上运动方程求解方法并结合显式动力学分析理论，可得到动力荷载下有阻尼结构体系的运动方程，如下

(4)

式中，M是结构的质量矩阵；C是阻尼矩阵；K是刚度矩阵；fext(t)是外部移动荷载；R(x,x)是非线性恢复力。

基于以上模型，对桥梁荷载性能估算时，可以将现场车辆调查的数据输入系统，以获得车辆载荷增，然后利用有限元软件进行不同荷载的瞬态分析，以得到各自应力时程曲线，具体的程序方法如下：

#include

void main()

{

FILE *fp_in,fp_out;

int start,length;

fp_in=fopen("..\现场车辆调查","r");

fp_out=fopen("..\车辆载荷增","w");

printf("显式动力学分析理论 ");

scanf("%d",&start);

printf("桥梁荷载性能估算");

scanf("%d",&length);

char buff[length];

fread(&buff,length,1,fp_in);

fwrite(&buff,length,1,fp_out);

fclose(fp_in);

fclose(fp_out);

}

通过该程序的应用，能够有效地计算出设计基准内车辆荷载的最大值分布，并最终确定车辆荷载效应的标准值，从而对本地区车辆荷载状况给予全面分析，对具体的车辆荷载标准加以调整，由此确定车辆荷载作用下桥梁结构的疲劳性能。

3 结 语

随着大量超载车辆的出现，桥梁结构损伤加剧，降低了结构使用寿命。该文主要通过疲劳模型建立，提出了车辆荷载作用下的桥梁使用寿命的计算方法，该方法可以确定车辆荷载对桥梁疲劳性能的影响。该方法的应用对于保证车辆通行的安全性与可靠性、提高桥梁的使用寿命具有一定工程意义。

[1] 陈照全. 既有桥梁车辆荷载的随机过程模型研究[D].长沙：长沙理工大学,2009.

[2] 陈代海. 地震作用下车桥耦合系统动力响应及振动控制研究[D].长沙：中南大学,2012.

[3] 胥润东. 琼州海峡超大多主跨公铁两用悬索桥方案设计和抗震研究[D].成都：西南交通大学,2010.

[4] 梅 刚,秦 权,林道锦. 公路桥梁车辆荷载的双峰分布概率模型[J]. 清华大学学报：自然科学版,2013，43(10):26-37.

[5] 武 勇.武汉天兴洲公铁两用长江大桥主桥荷载验收试验研究[J]. 桥梁建设,2010(1):11-16.

[6] 余志武,朱红兵,蒋丽忠,等.公路桥梁车辆荷载随机过程模型[J]. 中南大学学报：自然科学版,2011,42(10):3131-3135.

[7] 王 磊,张建仁. 基于平衡更新过程的既有桥梁车辆荷载效应模型[J]. 中国公路学报,2008,21(5):50-56.

[8] 党 栋. 公路桥梁设计荷载及其组合研究[D].西安：长安大学,2012.

[9] 许肇峰,王 强,刘仰韶. 基于WIM的广东省公路桥梁车辆荷载模型研究[J]. 桥梁建设,2012，42(6):39-44.

[10]黄星浩. 基于神经网络的桥梁车辆荷载研究[D].长沙：中南大学,2011.

[11]刘晓伟. 车辆荷载作用下钢筋混凝土桥梁的疲劳分析[D].西安：长安大学,2012.

FatigueAnalysisofHighway-railwayBridgesunderVehicleLoads

XIONGTao
(Wuhan Survey, Design and Research Institute Co，Ltd, China Railway
Eryuan Engineering Group Co，Ltd，Wuhan 430071，China)

With the emergence of a large number of overloading vehicles, the damage of bridge structures increases, and the service life of structure decreases. For this reason, this paper firstly analyzes the calculation method of the vehicle dynamic magnification coefficient, then the calculative and statistical methods of load effect are studied, then it uses the fatigue model established here to calculate the service life of the bridge under the action of the vehicle load. Finally the finite element program for bridge load performance estimation is given and furthermore the influence of vehicle loads on bridges fatigue performance is determined.

highway-railway bridge; vehicle load; fatigue analysis

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.02.033

2014-01-17.

熊 涛(1983-)，工程师.E-mail:34449011@qq.com