(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211078634.X (22)申请日 2022.09.05 (71)申请人 北京交通大 学 地址 100044 北京市海淀区西直门外上园 村3号 (72)发明人 朱力　唐庆宸　李佳欢　刘一迪　 韩天楠　 (74)专利代理 机构 重庆乐泰知识产权代理事务 所(普通合伙) 50221 专利代理师 郭泽培 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/02(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种考虑时变效应的组合梁桥动力疲劳性 能分析方法 (57)摘要 本发明公开了一种考虑时变效应的组合梁 桥动力疲劳性能分析方法， 包括： 结合时变桥梁 模型和车辆模 型建立车桥耦合模 型； 将时变桥梁 模型产生的位移值叠加到预设位置处的轨道不 平顺生成新的轨道不平顺激励到车桥耦合模型； 预设加载龄期， 得到桥梁长期下挠沿跨度的变化 曲线和中跨跨中长期变形随时间发展曲线； 计算 跨中钢梁下翼缘应力和梁端栓钉应力获得关键 部位的疲 劳应力谱； 选 取相应的疲劳S ‑N曲线， 计 算总疲劳损伤程度D。 利用建立的考虑时变效应 的钢‑混凝土组合箱梁桥 ‑列车耦合模型， 可以对 高速列车作用下的组合梁桥跨中钢梁下翼缘与 梁端栓钉损伤进行分析， 并且可以精确地计算出 运营阶段时变效应对高速列车荷载作用下桥梁 的疲劳损伤性能的影响。 权利要求书3页 说明书9页 附图4页 CN 115408754 A 2022.11.29 CN 115408754 A 1.一种考虑时变效应的组合梁桥动力疲劳性能分析 方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1： 建立2节点18自由度的时变桥梁模型和27自由度车辆模型， 并通过轮轨接触理论结 合所述时变桥梁 模型和车辆模型建立车桥耦合模型； S2： 通过数值模拟轨道不平顺， 将所述时变桥梁模型产生的位移值叠加到预设位置处 的轨道不平顺生成新的轨道不平顺， 将新的轨道不平顺作为激励作用到所述车桥耦合模 型； S3： 预设加载龄期， 通过所述车桥耦合模型得到运营节段桥梁长期下挠沿跨度的变化 曲线和中跨 跨中长期变形随时间发展曲线； S4： 计算跨中钢梁下翼缘应力和梁端栓钉应力得到高速列车通过桥梁整个时程范围内 关键部位的应力变化 曲线， 再通过雨流计数法统计分析应力历程， 获得关键部位的疲劳应 力谱； S5： 选取相应的疲劳S ‑N曲线， 并通过以下公式计算运营阶段关键节点所承受的总疲劳 损伤程度D： 其中， ni表示应力幅Δσi的循环次数； Ni为应力幅Δσi所对应的最大循环数； k为应力幅 种类总数。 2.根据权利要求1所述的考虑时变效应的组合梁桥动力疲劳性能分析方法， 其特征在 于： 所述时变桥梁 模型建立包括以下步骤： A1： 预设模型准则； A2： 建立空间坐标系， 并通过以下公式表示结构任意 一点的位置； r(x， y， z)＝xi i+yjj+zkk 其中， ii， jj， kk为x， y， z轴的单位向量， 和 为混凝土板和钢梁的截面包络区域； A3： 建立所述时变桥梁 模型的位移 表达式： 其中， a为混凝土板； CS为组合梁； 为整体结构的扭转角； t为混凝土的龄期； u0和v0为整 体结构形心的竖向位移， 为组合梁形心的z向坐标， 表示组合梁形心的y向坐标， ya代 表混凝土板形心的y向坐标， ； 为混凝土板形心的纵向位移， za代表混凝土板形心的z向 坐标， u0’和v0’分别表示u0(x； t)和v0(x； t)对x求导， fa为混凝土板的强度函数， 是混 凝土板和钢梁的剪力滞翘曲形函数， 对于U型钢梁， 上翼缘板和腹板不存在剪力滞翘曲问 题， 对于钢梁下翼缘板则需要考虑剪力滞效应。 3.根据权利要求2所述的考虑时变效应的组合梁桥动力疲劳性能分析方法， 其特征在 于： 步骤S4中， 所述 跨中钢梁下翼缘应力的计算包括以下步骤：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115408754 A 2B1： 通过步骤A3所述的位移 表达式得到钢梁 任一点的纵向位移ws： 其中， ws0为组合梁形心的纵向位移， 为组合梁的剪力滞翘曲形函数， fs为组合梁 的剪力滞翘曲的强度函数， zs为组合梁形心的纵向坐标， ys为组合梁形心的y向坐标， u0’和 v0’分别表示u0(x)和v0(x)对x求导； B2： 对组合梁中钢梁的纵向位移求 导得到钢梁的正应 变 εs 其中， ws0’， u0”， v0“， fs’分别表示对ws0， u0’， v0’， fs对x求导； B3： 模型任一点的位移可以通过节点位移与相应的寻函数矩阵得到， 通过车桥耦合动 力分析， 得到列车过桥的桥梁单元 的节点位移， 从而得到跨中钢梁下翼缘位置的纵向位移 时程： ws＝Nseqse 其中， ws为钢梁下翼缘纵向位移， qse表示钢梁单元的单元局部节点位移向量； Nse表示该 梁单元中与纵向位移场函数ws相对应的形函数矩阵； B4： 通过以下公式计算钢梁单 元局部节点 位移 其中， i,j分别指梁单 元的两端节点编号； B5： 通过钢梁的应力 ‑应变关系： σs＝Esεs， 得到钢梁相应位置的正应力时程， 其中， σs为 钢梁的正应力， εs为钢梁的正应 变， Es为钢梁的弹性模型。 4.根据权利要求2所述的考虑时变效应的组合梁桥动力疲劳性能分析方法， 其特征在 于： 所述步骤S4中， 所述梁端栓钉 应力的计算包括以下步骤： C1： 预设混凝土板与钢梁界面的剪力连接刚度ρsh沿桥梁纵向为定值， 通过以下公式确 定界面的粘结滑 移力q(x)与滑 移Δ(x)的关系： q(x)＝ρshΔ(x)＝ρsh(ws0‑wc0+v0’h) 其中， R为栓钉的抗剪刚度， s为栓钉的纵向间距； C2： 预设钢 ‑混凝土组合桥梁中钢梁与混凝土板交界面的纵向剪力全部由栓钉承担， 通 过以下公式求出钢 ‑混凝土组合桥梁梁端单个栓钉的剪应力： 其中， n表示组合 桥梁同一横截面栓钉 个数； ds表示栓钉截面 直径， s为栓钉的纵向间距。 5.根据权利要求1所述的考虑时变效应的组合梁桥动力疲劳性能分析方法， 其特征在 于： 步骤S2中， 数值模拟 轨道不平顺通过轨道不平顺样本进 行模拟， 所述轨道 不平顺样本获 取包括以下步骤： D1： 建立轨道不平顺谱的谱密度函数：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115408754 A 3