高鐵橋梁整體式減震榫低周疲勞壽命預(yù)測,道路橋梁與渡河工程論文

高鐵橋梁整體式減震榫低周疲勞壽命預(yù)測,道路橋梁與渡河工程論文內(nèi)容摘要：為了解高鐵橋梁整體式減震榫的疲憊性能，確定其低周疲憊壽命，提出采用臨界平面法和能量法組合的方式方法對減震榫的低周疲憊壽命進(jìn)行預(yù)測。該方式方法以臨界平面上的塑性應(yīng)變能作為減震榫的疲憊損傷參量，通過坐標(biāo)變換法求得減震榫在給定榫頂水平位移下最大損傷平面上的塑性應(yīng)變能，然后根據(jù)塑性應(yīng)變能與疲憊壽命之間的冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系進(jìn)行疲憊壽命預(yù)測。通過3個(gè)減震榫試樣的低周疲憊試驗(yàn)驗(yàn)證該方式方法的準(zhǔn)確性。結(jié)果表示清楚：減震榫試樣的低周疲憊預(yù)測壽命與試驗(yàn)壽命相差很小，提出的方式方法能較準(zhǔn)確地預(yù)測減震榫的低周疲憊壽命。本文關(guān)鍵詞語：高速鐵路橋；減震榫；低周疲憊；疲憊壽命；塑性應(yīng)變能；疲憊試驗(yàn)1引言我們國家鐵路橋梁普遍采用簡支梁橋和重力式墩臺。重力式墩臺的剛度很大，在地震作用下很難進(jìn)入塑性，因而依靠構(gòu)造本身延性來耗散地震能量無法實(shí)現(xiàn)[1].為了提高鐵路簡支梁橋的抗震能力，近年來開發(fā)了新型的減隔震裝置---減震榫。減震榫設(shè)置在主梁與橋墩連接處，因其具有較大的延性耗能能力，能夠耗散大部分地震能量，所以能夠有效地保衛(wèi)橋墩和上部梁體構(gòu)造的安全。該減震系統(tǒng)已成功應(yīng)用于高鐵蘭新線、寶蘭鐵路等建設(shè)中，具體表現(xiàn)出了其良好的應(yīng)用價(jià)值。但當(dāng)前，我們國家關(guān)于減震榫設(shè)計(jì)和施工的規(guī)范還在制訂經(jīng)過中，尚需對其開展進(jìn)一步的理論和應(yīng)用研究。李承根等[2]最早提出支座功能分離的減震設(shè)計(jì)理念，并初步研究了減震榫的構(gòu)造形式以及對減震榫材料性能的要求。孟兮等[3]全面考察了整體式減震榫的強(qiáng)度、剛度、滯回性能及耗能能力等性能指標(biāo)，并分析了減震榫在多跨鐵路簡支梁橋中的減震效果。李愛麗等[4]提出了分離式減震榫，并對其工作機(jī)理、性能參數(shù)及設(shè)計(jì)原則等進(jìn)行了研究。LiuC等[5]研發(fā)了減震榫系統(tǒng)的防落梁裝置，并對其滯回性能進(jìn)行分析。以上學(xué)者的工作建立和完善了減震榫的應(yīng)用體系，但對減震榫的疲憊性能尚未深切進(jìn)入討論，也未開展疲憊壽命預(yù)測方面的研究。減震榫的工作狀態(tài)為塑性耗能狀態(tài)，在地震作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)直至發(fā)生低周疲憊毀壞，低周疲憊壽命是減震榫非常重要的工作性能參數(shù)。本文從整體式減震榫的力學(xué)行為狀態(tài)入手，提出以臨界平面上的塑性應(yīng)變能為疲憊損傷參數(shù)對減震榫的低周疲憊壽命進(jìn)行預(yù)測，并通過低周疲憊試驗(yàn)驗(yàn)證該預(yù)測方式方法的準(zhǔn)確性。2減震榫構(gòu)造及力學(xué)狀態(tài)整體式減震榫采用延性較好的國產(chǎn)軟鋼制作，其構(gòu)造自上而下能夠分為頂部球形嵌入端、直線段、等強(qiáng)度段和底部法蘭盤固定端。華而不實(shí)，等強(qiáng)度段采用圓形變截面，是減震榫的彎曲耗能部位。減震榫構(gòu)造見圖1.根據(jù)減震榫活動(dòng)支座的工作原理，榫身主要承受水平荷載，不承受豎向荷載。在頂端水平荷載作用下，減震榫橫截面同時(shí)存在彎矩和剪力，即同時(shí)存在正應(yīng)力和剪應(yīng)力2個(gè)應(yīng)力分量。對減震榫進(jìn)行力學(xué)分析可知，橫截面的正應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于剪應(yīng)力，剪切變形對減震榫頂端側(cè)移的影響非常小。因而，對減震榫進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)能夠忽略剪應(yīng)力的影響，將其作為純彎構(gòu)件。但正應(yīng)力和剪應(yīng)力對疲憊裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展都起作用，剪應(yīng)力對疲憊裂紋的產(chǎn)生具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)作用。因而，對減震榫進(jìn)行疲憊分析時(shí)不宜忽略剪應(yīng)力的影響，應(yīng)按多軸疲憊考慮。圖1減震榫構(gòu)造3低周疲憊壽命預(yù)測方式方法臨界平面法是疲憊壽命預(yù)測的主要方式方法之一。該方式方法以材料或構(gòu)件疲憊損傷最大的平面作為疲憊毀壞臨界平面，通過在臨界平面上選擇適宜的疲憊損傷參量進(jìn)行疲憊壽命的預(yù)測。臨界平面上的損傷參量有應(yīng)力、應(yīng)變和能量3種。華而不實(shí)，以能量作為損傷參量更符合多軸疲憊的毀壞機(jī)制。因而，本文將臨界平面上的損傷參量引入到能量法疲憊壽命預(yù)測模型中，以解決減震榫的多軸疲憊壽命預(yù)測問題。3.1疲憊損傷參量確定塑性應(yīng)變能能夠綜合考慮應(yīng)力和應(yīng)變2個(gè)變量對疲憊的影響[6,7],因而以臨界平面上的塑性應(yīng)變能作為減震榫的疲憊損傷參量。減震榫的主要耗能段為等強(qiáng)度段，在榫頂水平荷載作用下，等強(qiáng)度段內(nèi)部會(huì)有拉壓作用、剪切作用、纖維的擠壓作用等，內(nèi)部空間一點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)由9個(gè)分量組成。在等強(qiáng)度段內(nèi)部取一微小單元體，假如忽略對構(gòu)造疲憊影響較小的分量，只考慮影響較大的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，則其應(yīng)力狀態(tài)見圖2.在榫頂水平荷載作用下，一個(gè)荷載循環(huán)的塑性應(yīng)變能為式中，xx和εxx分別為臨界平面上的正應(yīng)力和正應(yīng)變，xy、xy和yx、yx分別為臨界平面上的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變。因而，塑性應(yīng)變能包括拉伸應(yīng)變能和剪切應(yīng)變能兩部分。圖2減震榫內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)通過對等強(qiáng)度段的有限元分析，可得出減震榫在給定榫頂水平位移u下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。在這里基礎(chǔ)上，通過坐標(biāo)變換法可計(jì)算出疲憊損傷參數(shù)。詳細(xì)求解步驟為：〔1〕基于VonMises委屈服從準(zhǔn)則、多線性隨動(dòng)硬化準(zhǔn)則和關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，對減震榫構(gòu)造進(jìn)行非線性有限元分析，確定減震榫危險(xiǎn)位置的單元體在循環(huán)荷載作用下的應(yīng)力分量ij和應(yīng)變分量εij.〔2〕對應(yīng)力分量和應(yīng)變分量進(jìn)行坐標(biāo)變換。通過坐標(biāo)變換矩陣，不斷改變坐標(biāo)軸角度和，能夠得到任意平面上的應(yīng)力分量ij和應(yīng)變分量εij.華而不實(shí)，、分別為x軸和z軸變換的角度值?！?〕根據(jù)應(yīng)力分量ij、應(yīng)變分量εij按式〔1〕計(jì)算任意平面上的塑性應(yīng)變能，逐個(gè)比照并取華而不實(shí)的最大值作為疲憊損傷參量。疲憊損傷參量的MATLAB求解流程見圖3.3.2疲憊壽命預(yù)測金屬構(gòu)件的低周疲憊具有開裂后快速疲憊失效的特點(diǎn)[8,9],故常用塑性應(yīng)變能與疲憊壽命之間的冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系進(jìn)行疲憊壽命預(yù)測[10].減震榫在罕遇地震作用下的毀壞屬于低周疲憊毀壞，其疲憊壽命預(yù)測公式為式中，Nf為以循環(huán)次數(shù)計(jì)的疲憊壽命；A、為疲憊壽命擬合的材料常數(shù)，其值可通過減震榫材料的低周疲憊試驗(yàn)確定。圖3疲憊損傷參量的MATLAB求解流程4低周疲憊試驗(yàn)4.1試驗(yàn)大概情況為了驗(yàn)證基于臨界平面能量法的疲憊壽命預(yù)測方式方法的有效性，采用國產(chǎn)10號軟鋼制作3個(gè)減震榫試樣進(jìn)行低周疲憊試驗(yàn)。減震榫高650mm,等強(qiáng)度段采用圓形變截面，其截面變化規(guī)律為d〔x〕=15.8094x1/3,華而不實(shí)150mmx650mm.采用MTS擬動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)在減震榫試樣頂部施加往復(fù)循環(huán)荷載，直至發(fā)生低周疲憊失效。試樣1采用逐級加載方式：首先從位移幅10mm開場循環(huán)加載，40mm下面5mm為一級，40mm以上20mm為一級，每級循環(huán)3次，直至位移幅到達(dá)140mm;然后以位移幅150mm循環(huán)加載直至試樣疲憊失效。試樣2和試樣3加載方式一樣，首先以位移幅10mm進(jìn)行500次循環(huán)加載，然后以位移幅150mm循環(huán)加載直至試樣疲憊失效。4.2試驗(yàn)結(jié)果分析3個(gè)減震榫試樣的低周疲憊試驗(yàn)結(jié)果為：試樣1位移幅增加至150mm后，循環(huán)加載至7次發(fā)生疲憊失效；試樣2以位移幅150mm循環(huán)加載至16次發(fā)生疲憊失效；試樣3以位移幅150mm循環(huán)加載至15次發(fā)生疲憊失效。3個(gè)減震榫試樣的疲憊毀壞形態(tài)〔圖4〕基本一致：裂紋均出如今榫體等強(qiáng)度段的下部；疲憊損傷大部分發(fā)展于裂紋構(gòu)成階段，只要接近毀壞時(shí)試樣外表才出現(xiàn)宏觀裂紋，之后裂紋迅速發(fā)展，試樣斷裂。圖4減震榫疲憊毀壞形態(tài)4.3試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測結(jié)果比照采用臨界面能量法對3個(gè)減震榫試樣的疲憊壽命進(jìn)行預(yù)測，首先根據(jù)圖3的流程求解減震榫最大損傷面上的塑性應(yīng)變能，然后根據(jù)式〔2〕計(jì)算減震榫在各級荷載下的疲憊壽命。華而不實(shí)，材料常數(shù)A、通過對28根與減震榫試樣一樣材質(zhì)軟鋼制成的試樣進(jìn)行軸向等幅應(yīng)變的低周疲憊試驗(yàn)確定，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合得到A、分別為99.5、-0.58.3個(gè)減震榫試樣的低周疲憊預(yù)測壽命與試驗(yàn)壽命比照見圖5.由于減震榫試樣采用多級加載方式，在位移幅增加至150mm之前預(yù)測循環(huán)次數(shù)和試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)一樣，因而圖中僅給出位移幅150mm時(shí)的循環(huán)次數(shù)。由圖5可知：試樣1的預(yù)測循環(huán)次數(shù)為8.1次，試樣2和試樣3的預(yù)測循環(huán)次數(shù)為15.08次；3個(gè)試樣的低周疲憊壽命預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果都較為接近，試樣1和試樣2的預(yù)測循環(huán)次數(shù)與試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)相差約1次，試樣3的預(yù)測循環(huán)次數(shù)與試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)基本一致。這講明采用臨界面能量法進(jìn)行減震榫低周疲憊壽命預(yù)測具有較好的準(zhǔn)確性。圖5低周疲憊預(yù)測壽命與試驗(yàn)壽命比照5結(jié)論本文提出一種采用臨界平面法和能量法組合預(yù)測減震榫低周疲憊壽命的方式方法，并通過3個(gè)減震榫試樣的低周疲憊試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得出下面結(jié)論：〔1〕1個(gè)試樣的低周疲憊預(yù)測壽命與試驗(yàn)壽命一致，另外2個(gè)試樣的預(yù)測壽命與試驗(yàn)壽命僅相差1次循環(huán)，差異不同較小。〔2〕基于臨界平面上的塑性應(yīng)變能和減震榫材料的能量~疲憊壽命關(guān)系，能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測減震榫的低周疲憊壽命。以下為參考文獻(xiàn)[1]盧皓。罕遇地震作用下高速鐵路簡支梁橋抗震性能分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2021,59〔8〕:102-107.〔LUHao.StudyonSeismicPerformanceofHighSpeedRailwaySimply-SupportedGirderBridgeUnderStrongEarthquakeMotion[J].RailwayStandardDesign,2021,59〔8〕:102-107.inChinese〕[2]李承根，高日。高速鐵路橋梁減震技術(shù)研究[J].中國工程科學(xué)，2018,11〔1〕:81-86.〔LICheng-gen,GAORi.StudyontheShockAbsorbingTechniqueofHigh-SpeedRailwayBridges[J].EngineeringSciences,2018,11〔1〕:81-86.inChinese〕[3]孟兮，高日，李承根。減震榫滯回性能理論及試驗(yàn)研究[J].橋梁建設(shè)，2021,45〔3〕:20-25.〔MENGXi,GAORi,LICheng-gen.TheoreticalandExperimentalStudyofHystereticBehaviorofShockAbsorber[J].BridgeConstruction,2021,45〔3〕:20-25.inChinese〕[4]李愛麗，高日，李承根，等。一種新型軟鋼減震榫的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].橋梁建設(shè)，2021,47〔1〕:23-28.〔LIAi-li,GAORi,LICheng-gen,etal.DesignandExperimentalStudyofaNovelTypeofMildSteelShockAbsorber[J].BridgeConstruction,2021,47〔1〕:23-28.inChinese〕[5]LiuC,GaoR.DesignMethodforSteelRestrainerBarsonRailwayBridgesSubjectedtoSpatiallyVaryingEarthquakes[J].EngineeringStructures,2021,159:198-212.[6]MacekW,LagodaT,MuchaN.Energy-BasedFatigueFailureCharacteristicsofMaterialsUnderRandomBendingLoadinginElastic-PlasticRange[J].FatigueFractureEngineeringMaterialsStructures,2021,41:249-259.[7]BrancoR,CostaJD,BertoF,etal.FatigueLifeAssessmentofNotchedRoundBarsUnderMultiaxialLoadingBasedontheTotalStrainEnergyDensityApproach[J].TheoreticalandAppliedFractureMechanics,2021,97:340-348.[8]鞠曉臣，田越，潘永杰，等。鋼橋貫穿疲憊裂紋擴(kuò)展行為預(yù)測方式方法研究[J].橋梁建設(shè)，2021,45〔2〕:53-57.〔JUXiao-chen,TIANYue,PANYong-jie,etal.StudyofPredictionMethodsforPropagationBehaviorofThroughFatigueCracksinSteelBridge[J].BridgeConstruction,2021,45〔2〕:53-57.inChinese〕[9