考虑随机风载及交通荷载共同作用下斜拉索疲劳损伤分析_郭薇薇.pdf

文章编号：1673-0291（2023）03-0019-07DOI：10.11860/j.issn.1673-0291.20210114第 47 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.47 No.3Jun.2023北京交通大学学报JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY考虑随机风载及交通荷载共同作用下斜拉索疲劳损伤分析郭薇薇，张雅婧，娄亚烽（北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044）摘要：针对斜拉索在风和交通荷载作用下易发生振动及疲劳的问题，通过改变风参数和车辆参数，对不同组合工况下拉索应力及疲劳损伤进行分析.基于当地的气象资料和交通量统计资料，对风速、风攻角、汽车车型、车重、车流量、车间距等随机参数进行模拟，依次建立桥址处的随机风荷载模型、桥面随机汽车车流模型及移动列车荷载模型，运用 Ansys软件编程实现损伤分析，最后对某大跨度公铁两用斜拉桥进行实例验证.研究结果表明：风载作用下最不利的拉索位置随着风攻角变化而变化，在风攻角不超过6+6时，短索较为不利，而超出该范围时中长索较为不利；交通车辆荷载对拉索的疲劳损伤影响较为显著，同时考虑随机风载、密集车流和移动列车工况时，拉索的等效应力幅值较仅考虑风荷载作用时增大约 311.7%.关键词：斜拉索；疲劳损伤；随机风荷载；随机车流；移动列车中图分类号：U441.3 文献标志码：AFatigue damage analysis of cable under random wind loads and traffic loadsGUO Weiwei,ZHANG Yajing,LOU Yafeng（School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China）Abstract:To address the susceptibility of stayed cables to vibrations and fatigue caused by wind and traffic loads,this study analyzes the stress and fatigue damage of cable under different combined working conditions by varying wind and vehicle parameters.On the basis of local meteorological data and traffic statistics,the random parameters such as weed speed,wind attack angle,automobile type,weight,flow and spacing are simulated for the calculation.The study establishes a random wind load model at the bridge site,a random road traffic flow model on the bridge deck,and a moving train model to calculate fatigue damage,using Ansys software programming to conduct damage analysis.Finally,verification is conducted using a long-span rail-cum-road cable-stayed bridge.The research results show that the position of the most vulnerable cable under wind loads changes with the wind attack angle.Within the attack angle range of 6 to 6,the shortest cable is the most vulnerable,while beyond this range,the medium-length cable is most at risk.Traffic load significantly influences cable fatigue damage.When 收稿日期：2021-08-13；修回日期：2022-05-27基金项目：国家自然科学基金（51878036）Foundation item:National Natural Science Foundation of China（51878036）第一作者：郭薇薇（1976），女，河南信阳人，副教授，博士.研究方向为桥梁工程与结构动力.email：.引用格式：郭薇薇，张雅婧，娄亚烽.考虑随机风载及交通荷载共同作用下斜拉索疲劳损伤分析 J.北京交通大学学报，2023，47（3）：19-25.GUO Weiwei，ZHANG Yajing，LOU Yafeng.Fatigue damage analysis of cable under random wind loads and traffic loads J.Journal of Beijing Jiaotong University，2023，47（3）：19-25.（in Chinese）北京交通大学学报第 47 卷considering random wind load,dense traffic flow,and the moving train condition,the equivalent stress amplitude of the cable increases by 311.7%compared to considering wind load only.Keywords:stayed cable；fatigue damage；random wind load；random road traffic flow；moving train随着现代交通事业的飞速发展，大跨度公铁两用斜拉桥的应用日益广泛.近年来，我国建成了一批设计复杂、结构新颖、车道数量众多的大跨度公铁两用斜拉桥.由于这种结构体系受力状态比较复杂，其所处的自然环境、行车条件也十分多样，研究这些桥梁自身的结构特点及其在强风场中的动力性能，是合理进行结构设计的工程实际需要.斜拉索是斜拉桥的重要组成部分，具有大柔度、小质量、低阻尼、高应力等特点.在活载作用下容易产生大幅振动和疲劳损伤，从而引起整座桥梁结构受力状态发生改变，使桥梁的安全性、耐久性以及使用寿命出现不同程度的降低，甚至可能危及桥上的行车安全.考虑其在随机风荷载和桥面复杂交通车辆荷载共同作用下的疲劳损伤问题十分必要.目前，针对斜拉索疲劳损伤问题开展的研究较多，如韩艳等1-2对大跨度斜拉桥在脉动风荷载作用下拉索的疲劳损伤进行了研究，得出了风荷载对长索的损伤影响程度较短索大，且风速与风攻角越大，拉索疲劳损伤也越大等结论；蒋丹丹等3-4分别考虑了汽车车流、重载交通等作用下，斜拉索及桁架杆件的疲劳损伤问题；Li等5-6考虑不同风速、车速、车辆轴重及交通量等随机参数，对风、车联合作用下拉索的疲劳可靠度进行了研究分析.但目前大多数学者在对斜拉索进行疲劳研究时仅关注最长索和最短索的应力，对中长索的疲劳问题研究较少.此外，对于同时考虑随机风荷载、随机汽车车流和列车荷载作用下拉索疲劳损伤问题的研究也鲜见报道.本文以新建沪苏通公铁两用长江大桥为工程背景，综合考虑了随机风载、随机车流和移动列车等作用，基于 Miner 线性累积损伤理论分析了拉索疲劳损伤，对不同工况下（风速、风攻角、车流量）最不利斜拉索的位置及疲劳损伤程度进行了系统研究.1 工程背景新建沪苏通公铁两用长江大桥主跨采用双塔三索面钢桁梁斜拉桥，跨径布置为 140 m+462 m+1 092 m+462 m+140 m.斜拉索采用 7 mm 直径的平行钢丝束，标准抗拉强度为 2 000 MPa.参考文献7，桥址区设计基准风速为 38.2 m/s.采用 Ansys 软件建立了大桥的三维有限元模型，x 为垂直车辆行驶方向，y 为垂直桥面方向，z 为平行车辆行驶方向，如图 1所示.首先对结构的动力特性进行分析计算，结构前 6 阶自振频率和振型计算结果如表 1所示.为论证模型合理性，将其与文献8 进行比较.由表 1 可知，研究建立的模型具有较好的精度.参考文献 9，采用 S-N 曲线来分析拉索的疲劳损伤，具体表示为lg N=14.36-3.5 lg 200 MPalg N=37.187-13.423 lg 其他（1）式中：为应力幅值；N 为材料在对应应力幅作用下的循环次数.S-N 曲线适用于估算结构在等幅载荷作用下疲劳破坏时历经的循环次数.对于具有随机性的变幅风载和车载，则需要基于 Miner 线性累积损伤理论来分析拉索的疲劳损伤10.2 荷载模拟2.1 随机风荷载模拟作用在桥梁结构上的风荷载包括由平均风引起的静风力荷载和脉动风引起的抖振力荷载.桥址区属于文献 7 中的 A 类地表，梯度风速高度为 300 m.而桥塔的高度为 333 m.故对高程在300 m 以下的桥塔和拉索节点的平均风速按规范指数率进行计算，而对高程 300 m 以上的节点平均风速，可认为与 300 m 高度处的平均风速相同.根据计图 1桥梁有限元模型图Fig.1Finite element model diagram of bridge表 1桥梁自振频率及振型特点Tab.1 Bridge natural frequencies and mode characteristics频率/Hz本文结果0.0840.0860.1930.2370.2790.338文献8结果0.0830.0850.2040.2380.292振型主梁正对称横弯振动纵漂+反对称竖弯振动主梁正对称竖弯振动主梁反对称横弯振动主梁反对称竖弯振动桥塔同侧横弯振动20郭薇薇等：考虑随机风载及交通荷载共同作用下斜拉索疲劳损伤分析第 3 期算可得，桁架上、下层桥面设计基准风速分别为49.4 m/s、47.5 m/s.作用在桥梁上的静风力荷载可表示为FH=12U2CHDFV=12U2CVBFM=12U2CMB2（2）式中：FH、FV、FM分别为横向静风力、竖向静风力和扭转静风力矩；CH、CV、CM分别为主梁沿横向、竖向和扭转方向的三分力系数；D 为主梁特征高度；B 为主梁特征宽度；为空气密度，取值约为 1.25 kg/m3；U 为平均风速.三分力系数全部按体轴给出.沪苏通大桥主梁三分力系数随风攻角的变化曲线如图 2 所示，图 2中6+6风攻角范围内的结果参考风洞试验数据11，其他风攻角下的三分力系数拟合表达式为C()=l0+l1+l22（3）式中：为风攻角；l0、l1、l2为多项式参数.桥面高度处的脉动风场采用谐波合成法进行模拟.根据桥跨结构特点，主梁设置了 165 个等间距的风速模拟点，间距为 14 m（一个桁架节间的长度），桥塔设置了 12 个等间距的风速模拟点，间距为 30 m.样 本 时 间 间 隔 为 0.1 s，采 样 总 时 长 为 600 s.作用在单位长度桥梁上的抖振力可表示为Hb()t=12U2B 2CHu()tU+CHw()tUVb()t=12U2B 2CVu()tU+()CV+CHw()tUMb()t=12U2B2 2CMu()tU+CMw()tU （4）式中：Hb(t)、Vb(t)、Mb(t)分别为单位长度桥梁上的抖振阻力、抖振升力和抖振扭矩；CH、CV、CM分别为主梁三分力系数在零攻角处的一阶导数；u（t）、w（t）分别为 t时刻的横、竖向脉动风速，t为采样时间.以桁架下层桥面跨中处为例，模拟抖振阻力、升力、扭转力矩的 10 min时程曲线如图