CN115270541A - 一种分析悬索桥整体节点损伤规律的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种分析悬索桥整体节点损伤规律的方法，利用空间有限元模型，得出钢桁架整体节点最不利位置及各杆件等效应力幅，确定疲劳试验采用的荷载值，再通过有限元软件对整体节点的静力强度和疲劳强度进行验算，对钢桁架进行疲劳试验，对整体节点应力测点的数据进行采集，对数据进行处理和分析。在验证整体节点的疲劳性能符合设计要求的同时，推导出一个分段函数对整体节点损伤演化过程进行描述，用于分析悬索桥钢桁架整体节点从疲劳循坏开始直至破坏整个过程的发展规律。

Description

一种分析悬索桥整体节点损伤规律的方法

技术领域

本发明属于桥梁结构安全领域，更具体地，涉及一种分析悬索桥整体节点损伤规律的方法。

背景技术

整体节点技术在我国较晚开始应用，当前桥梁中已经使用的整体节点还远远没有达到它的疲劳寿命，因此疲劳荷载对整体节点的影响没有充分地体现出来。但是随着行业不断发展，由于各种因素耦合作用，整体节点的疲劳问题变得突出。

整体节点与普通节点相比，减少了螺栓用量，提高了装配化效率，广泛应用于大跨度桥梁。但整体节点区域结构复杂，各类弦杆、腹杆汇集在整体节点区域，内力一同传递到节点板上，在车辆荷载的循环作用之下，该结构形式的作用应力情况特别复杂，而保证整体节点可以正常、安全地工作是让该桥梁可以服役的关键所在，所以对整体节点处的疲劳性能进行研究分析是有必要的。

现阶段学者对整体节点的研究通常是采用试验的方式对其疲劳性能进行分析，但是大部分的试验和研究分析都是为了验证整体节点的疲劳性能满足其设计要求，并没有通过试验的方式对其自疲劳循环初始至破坏整个过程的发展规律进行分析与研究。

发明内容

本发明的目的在于针对悬索桥中整体节点区域，为了保证其能够正常进行工作，设计疲劳荷载试验，在验证整体节点的疲劳性能满足桥梁设计要求的同时，对试验数据进行总结与分析，对整体节点的损伤演化方程进行推导，以获取出整体节点自疲劳循环初始至破坏这个过程的规律。

根据本发明的一个方面，提供一种分析悬索桥整体节点损伤规律的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，通过全桥有限元模型移动荷载分析，确定出最不利整体节点，计算出此节点各杆件的50万次等效应力幅；

步骤2，基于相似理论，对所述最不利整体节点的钢桁架设计一个缩尺模型，建立梁单元模型模拟所述最不利整体节点的钢桁架加载，根据等效应力幅确定出疲劳试验加载上下限；

步骤3，使用有限元分析软件对缩尺模型建立空间精细化模型，对其静力强度和疲劳强度进行分析，保证其强度符合要求；

步骤4，设计并完成缩尺模型的制作，在模型上布置试验所需要的测点，根据设计的试验流程，进行疲劳荷载试验，记录测点数据，直至试件发生断裂，试验中止；

步骤5，对荷载试验所记录的应变数据进行整理，分析是否与试验现象符合，以应变的相对变化为损伤变量，对整体节点的损伤演化方程进行推导，以获得整体节点的损伤演化规律。

在上述方案基础上优选，所述计算出最不利整体节点各杆件的50万次等效应力幅的具体步骤为，基于应力频值谱和标准疲劳车数量，计算出各杆件的等效应力幅，得到50万次等效应力幅最大的杆件。

在上述方案基础上优选，所述使用有限元分析软件对缩尺模型建立空间精细化模型，具体步骤是，采用有限元分析，验证缩尺模型的静力强度和疲劳强度是否符合要求。

在上述方案基础上优选，所述步骤4中，对对缩尺模型进行疲劳荷载试验，具体步骤是，使用疲劳试验仪器对试件进行加载，对疲劳循环过程中测点的应变数据进行记录，直至试件发生断裂，试验中止。

在上述方案基础上优选，所述步骤5具体步骤为，以对荷载试验所记录的应变数据的相对变化为损伤变量，根据损伤演化的三阶段过程，使用最小二乘法对分段函数进行拟合，即可确定出损伤演化方程，得到整体节点的损伤演化规律。

在上述方案基础上优选，所述损伤变量计算公式为：

式中，D为损伤变量；ε为该循环次数下的应变；ε₀为初始的应变；ε_u为钢桁架疲劳破坏时的应变。

在上述方案基础上优选，所述损伤演化的三阶段过程包括快速发展阶段、稳定发展阶段、急剧破坏阶段。

在上述方案基础上优选，所述快速发展阶段的损伤规律为：

式中，a₁为该疲劳试验下待定常数，n为循环次数，N为疲劳寿命，

为循环比。

在上述方案基础上优选，所述稳定发展阶段的损伤规律为：

式中，b₁、b₂、b₃、b₄为该疲劳试验下待定常数，n为循环次数，N为疲劳寿命，

为循环比。

在上述方案基础上优选，所述急剧破坏阶段的损伤规律为：

式中，c₁、c₂为该疲劳试验下待定常数，n为循环次数，N为疲劳寿命，

为循环比

本发明的一种分析悬索桥整体节点损伤规律的方法，利用空间有限元模型，得出钢桁架整体节点最不利位置及各杆件等效应力幅，确定疲劳试验采用的荷载值，再通过有限元软件对整体节点的静力强度和疲劳强度进行验算，对钢桁架进行疲劳试验，对整体节点应力测点的数据进行采集，对数据进行处理和分析。在验证整体节点的疲劳性能符合设计要求的同时，推导出一个分段函数对整体节点损伤演化过程进行描述，用于分析悬索桥钢桁架整体节点从疲劳循坏开始直至破坏整个过程的发展规律。

整体节点能否正常进行工作是悬索桥安全投入使用的关键问题，进行整体节点疲劳试验可以通过对应力数据的分析，得出整体节点处哪些位置比较薄弱，后期需要引起重视。并且，利用损伤演化方程可以对悬索桥服役后的安全性进行评估，为其结构安全性能提供一个参考。

附图说明

图1为本发明的全桥有限元模型示意图；

图2为本发明的精细化模型静力强度分析示意图；

图3为本发明的高强螺栓区域疲劳强度分析示意图；

图4为本发明的非高强螺栓区域疲劳强度分析示意图；

图5为本发明的分析悬索桥整体节点损伤规律的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参阅图5所示，本发明的一种分析悬索桥整体节点损伤规律的方法，包括以下步骤

S1、利用有限元全桥模型，如图1所示，确定最不利节点以及此节点处各杆件的50万次等效应力幅：

S11、通过建立全桥有限元模型，根据英国BS5400规范，进行移动荷载分析，得到各杆件的应力幅最大的典型节点，例如下表1所示。

表1典型整体节点应力幅(单位：MPa)

对以上节点的应力幅情况进行综合考虑之后可以得出881节点为疲劳作用下的最不利节点。

S12、通过全桥有限元模型分别求出各车道加载时，该最不利节点各杆件的轴向应力影响线，将标准疲劳车按影响线加载到慢车道和邻车道，得到各杆件应力历程，再通过雨流计数法得出幅值和循环次数，得到应力频值谱。

S13、根据交通量预测，得出该桥100年内平均日交通量为56129veh·d^-1，结合各因素考虑，取总交通量的5％为标准疲劳车的数量。双向六车道中慢车道与临车道交通量的比例取为2：1.5，可以得到100年内慢车道和邻车道的标准疲劳车交通量为2931.42万辆和2198.6万辆。

S14、根据应力频值谱和标准疲劳车数量，采用英国BS5400规范和Miner准则，由式(1)计算杆件的50万次等效应力幅：

式中Δσ为等效应力幅；Δσ_i为一辆标准疲劳车作用下的应力幅；n₀为等效循环次数，取50万次；n_i为各车道通过的疲劳车数量；K_F为多车效应修正系数；m为S-N曲线效率的负倒数。

计算各杆件的等效应力幅后得出，最不利节点处的左斜腹杆的等效应力幅最大，为140.02MPa。

S2、利用得出的等效应力幅，确定疲劳荷载加载上下限：

S21、根据相似理论，对最不利节点的钢桁架节段设计一个1：4的缩尺模型，材料与该桥梁保持一致。并使用有限元分析软件，利用缩尺后的钢桁架梁单元模型，采用简支边界条件，在上弦杆中点施加荷载模拟疲劳加载，发现当加载值取到450kN时，斜腹杆最大轴向应力为143.7MPa，所以取疲劳试验加载上限为500kN，下限为50kN。

S3、对于疲劳加载上下限，对最不利整体节点进行精细化有限元静力强度和疲劳强度分析：

S31、对于疲劳加载上限500kN，对该最不利节点缩尺模型进行静力强度分析，如图3所示。根据圣维南原理，使用有限元软件建立整体节点局部模型，将各杆件在离整体节点足够远处切开，使用钢桁架梁单元模型中500kN荷载下的各截面的内力作为力的边界条件，并在下弦杆切开截面处使用简支约束作为位移边界条件。对各部位接触进行定义之后对模型进行求解，忽略应力奇异和应力集中情况，模型最大的Von-Mises应力是小于屈服强度345MPa的，故满足静力强度要求。

S32、对于疲劳荷载幅值450kN，对该最不利节点缩尺模型进行疲劳强度分析，结合《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)的构造细节对斜腹杆高强螺栓连接区域进行疲劳评估，斜腹杆的疲劳细节类别是110，它的50万次疲劳强度为174.61MPa。计算得到斜腹杆轴向应力云图，最大轴向应力为153.31MPa，小于174.61MPa，具体如图3所示。非高强螺栓连接区域，采用Q345qD的S-N曲线进行疲劳评估，保证率为99％的S-N曲线为lg(N)＝27.650-9.543lg(S)，它的50万次疲劳强度为199.63MPa，计算得到螺栓区域应力云图，具体如图4所示，根据应力云图的颜色判断，最大的Von-Mises应力小于199.63MPa，所以整体节点区域的疲劳强度是满足设计要求的。

S4、使用确定出的疲劳加载上下限，根据设计的试验流程，进行疲劳荷载试验：

S41、根据1：4的缩尺比例设计并完成疲劳试验模型的制作，并且根据之前步骤中得到的应力云图，在整体节点处共布置28个测点，各个杆件沿轴向共对称布置25个应变片，倒角处布置3个应变花。

S42、疲劳试验模型采用两端简支的边界条件，并使用MTS电液伺服作用器在整体节点的上弦杆顶部中点进行竖直向下单点加载。在加载之前要采取预加载，目的在于消除各构件之间的空隙和确保各个测点以及仪器均可正常工作。疲劳加载上下限分别采用在之前步骤中得出的500kN和50kN。疲劳试验过程中每循环5万次后停机并进行3次静力加载，每一次静力加载从0kN逐级加载到500kN后逐级卸载到0kN，每一级荷载定为50kN，每次均等读书稳定后记录各个测点的数据。

S43、对疲劳试验过程中各个杆件进行观察，可以发现6处开裂部位，在右斜腹杆上有4处开裂，左斜腹杆上1处，竖腹杆上1处。第一次出现裂缝是疲劳循环次数到24.57万次时，在右斜腹杆上翼缘拼接板的第2排螺栓处出现，当疲劳循环次数到42.30万次时，右斜腹杆突然发生断裂，第1排螺栓孔处出现全断面横向裂缝，疲劳试验终止。

S5、对试验获取的测点应变数据进行整理分析，验证其是否与试验现象一致，再利用破坏位置附近测点的应变数据，确定损伤变量，推导损伤演化方程，得到整体节点损伤演化规律：

S51、对荷载水平为疲劳试验上限500kN时，将循环起始时各个测点的应力与有限元分析结果进行对比，二者误差在可接受范围内，说明有限元模拟较准确，试验的结果可信。

S52、对荷载水平为疲劳上限500kN时，对部分测点随循环次数应力发生变化进行总结，并绘制图表，发现竖腹杆上测点应力均为负值，受压构件是不需要考虑疲劳损伤的，竖腹杆未产生裂纹，符合试验现象，下弦杆跨中上端测点应力逐渐减小，跨中下端应力逐渐增大，符合下弦杆受力情况，下弦杆也未产生裂纹，符合试验现象，斜腹杆上的测点在试验起初应力差值不大，随着循环次数的增加，应力差值有增大趋势，左斜腹杆上测点的应力逐渐减小，右斜腹杆上测点的应力逐渐增大，故右斜腹杆疲劳受损程度比左斜腹杆大，符合试验右斜腹杆发生疲劳断裂的结果。

S53、为了对整体节点的损伤演化规律进行分析，对破坏位置附近的测点的应力随静力加载等级的增加而变化的趋势绘制成图表进行分析，发现P1测点应力随着循环次数的增加逐渐减小，减小速度由快变慢，P1'测点的应力在10-15万次循环时急剧下降，体现出右斜腹杆内部各点应力在此时进行重分布，在15-40万次循环时反向增大，速度较稳定，最后应力大于起始应力，最终断裂，试验中止。

S54、以应变的相对变化为损伤变量，对损伤演化方程进行推导，因为疲劳破坏时的应变无法测得，可将损伤稳定发展阶段的损伤度为破坏时的1/2。将损伤变量随着循环比n/N的变化绘制在图中，可以发现整体节点的损伤演化具有很明显的三阶段变化。使用最小二乘法对上述的三阶段进行拟合，便可得到在本疲劳试验下钢桁架整体节点的损伤演化方程，如式(2)：

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分析悬索桥整体节点损伤规律的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，通过全桥有限元模型移动荷载分析，确定出最不利整体节点，计算出该节点各杆件的50万次等效应力幅；

步骤2，基于相似理论，对所述最不利整体节点的钢桁架设计一个缩尺模型，建立梁单元模型模拟所述最不利整体节点的钢桁架加载，根据等效应力幅确定出疲劳试验加载上下限；

步骤3，使用有限元分析软件对缩尺模型建立空间精细化模型，对其静力强度和疲劳强度进行分析，保证其强度符合要求；

步骤4，设计并完成缩尺模型的制作，在模型上布置试验所需要的测点，根据设计的试验流程，进行疲劳荷载试验，记录测点数据，直至试件发生断裂，试验中止；

步骤5，对荷载试验所记录的应变数据进行整理，分析是否与试验现象符合，以应变的相对变化为损伤变量，对整体节点的损伤演化方程进行推导，以获得整体节点的损伤演化规律。

2.如权利要求1所述的一种分析悬索桥整体节点损伤规律的方法，其特征在于，所述计算出最不利整体节点各杆件的50万次等效应力幅的具体步骤为，基于应力频值谱和标准疲劳车数量，计算出各杆件的等效应力幅，得到50万次等效应力幅最大的杆件。

3.如权利要求1所述的一种分析悬索桥整体节点损伤规律的方法，其特征在于，所述使用有限元分析软件对缩尺模型建立空间精细化模型，具体步骤是，采用有限元分析，验证缩尺模型的静力强度和疲劳强度是否符合要求。

4.如权利要求1所述的一种分析悬索桥整体节点损伤规律的方法，其特征在于，所述步骤4中，对对缩尺模型进行疲劳荷载试验，具体步骤是，使用疲劳试验仪器对试件进行加载，对疲劳循环过程中测点的应变数据进行记录，直至试件发生断裂，试验中止。

5.如权利要求1所述的一种分析悬索桥整体节点损伤规律的方法，其特征在于，所述步骤5具体步骤为，以对荷载试验所记录的应变数据的相对变化为损伤变量，根据损伤演化的三阶段过程，使用最小二乘法对分段函数进行拟合，确定出损伤演化方程，得到整体节点的损伤演化规律。

6.如权利要求5所述的一种分析悬索桥整体节点损伤规律的方法，其特征在于，所述损伤变量计算公式为

式中，D为损伤变量；ε为该循环次数下的应变；ε₀为初始的应变；ε_u为钢桁架疲劳破坏时的应变。

7.如权利要求5所述的一种分析悬索桥整体节点损伤规律的方法，其特征在于，所述损伤演化的三阶段过程包括快速发展阶段、稳定发展阶段、急剧破坏阶段。

8.如权利要求7所述的一种分析悬索桥整体节点损伤规律的方法，其特征在于，所述快速发展阶段的损伤规律为：

式中，a₁为该疲劳试验下待定常数，n为循环次数，N为疲劳寿命，

为循环比。

9.如权利要求7所述的一种分析悬索桥整体节点损伤规律的方法，其特征在于，所述稳定发展阶段的损伤规律为：

式中，b₁、b₂、b₃、b₄为该疲劳试验下待定常数，n为循环次数，N为疲劳寿命，

为循环比。

10.如权利要求7所述的一种分析悬索桥整体节点损伤规律的方法，其特征在于，所述急剧破坏阶段的损伤规律为：

式中，c₁、c₂为该疲劳试验下待定常数，n为循环次数，N为疲劳寿命，

为循环比。

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