茍紅兵,胡鐵明,張冠華,于傳君

(1.遼寧大通公路工程有限公司,遼寧 沈陽 110111;2.沈陽大學 遼寧省環(huán)境巖土工程重點實驗室,遼寧 沈陽 110044;3.公路橋梁診治技術交通運輸行業(yè)研發(fā)中心,遼寧 沈陽 110166)

遼河大橋鋼箱梁疲勞應力特性

茍紅兵1,3,胡鐵明2,張冠華3,于傳君3

(1.遼寧大通公路工程有限公司,遼寧 沈陽 110111;2.沈陽大學 遼寧省環(huán)境巖土工程重點實驗室,遼寧 沈陽 110044;3.公路橋梁診治技術交通運輸行業(yè)研發(fā)中心,遼寧 沈陽 110166)

為了對寒冷環(huán)境下鋼箱梁的疲勞壽命進行研究,以遼河大橋為依托工程,對為期12個月的應力監(jiān)測數據進行分析.運用小波包分解法對應力數據進行了濾波與重構,重構后的應力通過雨流計數法處理得到“季度應力譜”,將“季度應力譜”結合miner線性累積損傷準則和BS5400規(guī)范中的各個連接部位疲勞強度曲線,對遼河大橋不同種類的節(jié)點處進行了疲勞評估.評估結果為:橫隔板與U肋下緣連接處損傷度最大,頂板與U肋縱向焊接連接處次之,底板與U肋縱向焊接連接處最小,表明橫隔板與U肋連接處需要加強養(yǎng)護.

橋梁工程; 季度應力譜; 鋼箱梁; 疲勞損傷; 雨流計法

運營狀態(tài)下的鋼箱梁斜拉橋在長期的服役過程中,承受的外載荷有車輛載荷、溫度載荷、風載荷等,且由于一般大橋處于海上或者河口,所在處的風載荷較大,晝夜溫差變化大,加上車輛載荷的作用使斜拉橋的鋼箱梁更加容易疲勞.為了準確評價鋼箱梁橋的箱梁疲勞損傷狀態(tài)和剩余疲勞壽命,國內外學者開展了大量的研究[1-4].余波、邱洪興等對江陰長江大橋為期5天的應力進行分析得到了其標準日應力譜,并對該橋作出了疲勞壽命評估[5].王瑩、吳佰建等對潤揚大橋懸索橋和斜拉橋進行了為期半年的樣本考察,統(tǒng)計了此時間段斜拉橋與懸索橋的損傷量,并進行了對比分析[6].鄧楊、丁幼亮等對潤揚大橋懸索橋和斜拉橋鋼箱梁頂板建立了疲勞可靠度方程,重點研究了疲勞載荷增長對可靠度的影響[7].程苗、吉伯海等將模糊綜合評價法應用在鋼箱梁疲勞裂紋安全性等級評價上,建立了疲勞裂紋評價數學模型,并劃分了相應的評價等級標準[8].

本文中,作者以遼河特大橋為實際依托工程,運用matlab軟件和雨流計法將健康監(jiān)測系統(tǒng)中采集的應變數據轉換為應力值,再將應力值轉化為應力循環(huán),然后將應力循環(huán)進行統(tǒng)計即得到應力譜.每月隨機選取10 d的應力幅作為標準季度應力幅的樣本值,依據歐洲規(guī)范(Eurocode3)修訂的S-N曲線和miner線性累積損傷準則對鋼箱梁進行疲勞損傷評估.

1 工程概況

遼河特大橋為遼寧省濱海公路中的一座大型橋梁,位于營口、盤錦兩市交界遼河入海口處,為我國寒冷地區(qū)第一大跨徑鋼箱梁斜拉橋,其橋跨布置為(62.3+152.7+436+152.7+62.3)m.橋址地處溫帶,東南臨太平洋,西北靠歐亞大陸,氣候受季風影響很大;該處春季溫和,少雨多風,夏季炎熱,雨量集中,秋季涼爽,雨量適當,冬季較長,多數為寒冷時期[9].

大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)安裝有風速風向儀、溫濕度計、三向加速度計等17類傳感器,傳感器布置如圖1所示.整個健康監(jiān)測系統(tǒng)于2013年7月正式運行.本文分析涉及到的鋼箱梁應變監(jiān)測截面共24個,每截面設置有12個測點,監(jiān)測截面的傳感器布置如圖2所示.

圖1 遼河大橋單塔傳感器布置Fig.1 .Single tower sensor layout of Liaohe River Bridge

圖2 鋼箱梁應力傳感器布圖Fig.2 Steel box girder strain sensor layout

2 箱梁的疲勞評估方法

2.1 監(jiān)測數據的預處理

由于橋梁應變監(jiān)測數據受外部環(huán)境及內部自身因素相結合的復雜狀況影響,采集的數據可能含有一定的噪聲干擾,所以對被測對象進行濾波是結構狀態(tài)識別的第一步.作者運用小波分析法對應力數據進行濾波處理,通過大量實驗后,選用小波包db8對監(jiān)測數據進行3層小波變換濾波,然后對濾波后的信號進行單支重構.對測點C7在2014年7月1日20:00:00至20:05:00總共5 min內的應力數據進行濾波與重構后的結果如圖3所示.

圖3 小波濾波后對比圖Fig.3 Contrast of wavelet filtering figure

對原始信號和重構信號進行對比,可以看出數據中噪聲干擾因素很小,噪聲干擾最大處為結構突然受汽車載荷沖擊時.表明噪聲對結構影響最大時刻主要為結構受到局部沖擊載荷時.

2.2 季度標準應力譜

以前大多數學者習慣將應力幅轉換為標準應力幅[4-6],而作者通過對遼河大橋日應力幅統(tǒng)計發(fā)現,使用標準日應力幅法對統(tǒng)計的結果影響很大.圖4與表1為2013年12月10日、11日、12日3天的日應力幅統(tǒng)計結果,可以看出各個階段應力幅出現次數在不同的天數具有隨機性,每天的應力幅走勢都不相同.用某一日標準應力幅來代表每天的應力幅,不具備代表性.因此本文以季度為標準進行應力幅變化規(guī)律的統(tǒng)計.

圖4 不同日期應力幅統(tǒng)計圖Fig.4 The stress amplitude statistical figure of different date

表1 不同日期應力譜對比Table1 The stress spectrum contrast of different date

由圖4與表1可以得出,12月10日、11日、12日結構應力循環(huán)次數分別為4 064、4 442、2 401次,每天應力循環(huán)次數超過10 MPa的分別為82、46、123次.由此可知,通過雨流計統(tǒng)計法得到的日標準應力譜,應用于結構損傷評定,得到的損傷量必然與真實的結構損傷存在一定的差距.

由于遼河特大橋應變采集頻率為20 Hz,每天采集72 000個應變數據,將這些數據進行雨流計處理過程非常煩瑣,為了提高計算速率,作者隨機選取每月中10 d的應變數據,作為標準季度應力幅樣本,每季度內共三個月,對大橋跨中截面鋼箱梁頂板的C2點應力幅進行統(tǒng)計,統(tǒng)計結果見圖5.

圖5可以看出,春季和夏季應力幅變化幅度范圍都在0～13 MPa之間,而春季的應力循環(huán)次數多于夏季;夏秋兩季節(jié)對比可以看出,秋季應力變化幅度范圍在0～18 MPa之間,應力幅度大于夏季;秋冬兩季節(jié)對比可以看出,冬季應力變化幅度范圍在0～32 MPa之間,應力幅度大于秋季,表明冬季結構的損傷度要大于其他三個季度.對比四個季節(jié)的應力幅,冬季月應力循環(huán)次數為73 795次,其他三季度應力循環(huán)次數在65 500次左右.

進一步對箱梁底板應力幅進行統(tǒng)計分析,限于篇幅本文只統(tǒng)計夏秋冬三季度,統(tǒng)計結果見圖6.

鋼箱梁底板主要承擔風載荷、溫度載荷與結構自身內力,根據統(tǒng)計結果,無論哪個季節(jié)底板應力幅都在8 MPa以下,且底板與頂板應力幅循環(huán)次數相差不多,表明頂板大于8 MPa的應力幅主要由汽車載荷產生.通過對遼河大橋溫度進行統(tǒng)計,其春夏秋冬季平均溫度為8 ℃、22 ℃、17.5 ℃、-4.5 ℃,結合頂板應力幅冬季大于其他季度的特點,認為頂板冬季應力幅變化與低溫存在一定關系.

圖5 不同季節(jié)頂板應力幅統(tǒng)計圖Fig.5 The stress amplitude statistical figure of roof in different seasons

圖6 不同季節(jié)底板應力幅統(tǒng)計圖Fig.6 The stress amplitude statistical figure of bottom plate in different seasons

3 箱梁的損傷評估

為了將結構的疲勞累積損傷數量化定義,作者建立損傷數組[Di1,Di2,Di3,…,Di30],并將每季度應力幅等分為30份[Si1,Si2,Si3,…,Si30].橋梁運營過程中的疲勞損傷不斷累積增長,據此可以建立鋼箱梁疲勞損傷方程:

(1)

(2)

(3)

式中:Ni k為第i階段對應應力幅Si k的循環(huán)次數;Nktotal為對應K次循環(huán)時結構產生疲勞損傷需要的總應力循環(huán)次數;Di為截至i時刻結構的累積疲勞損傷;Dequal為i與i-1時刻之間結構的等效累積損傷.

根據英國的疲勞規(guī)范,本文處理的結構焊縫類型為D級,其對應的S-N關系式為:

(4)

式中:N為應力幅為σr時對應的應力循環(huán)次數;m為雙對數坐標系下S-N曲線斜率的負倒數[10];K0為強度系數,規(guī)范規(guī)定為0.37×1012;Δ為臨界疲勞,其服從概率分布均值為1,變異系數為0.3的對數正態(tài)分布;d為概率因子,當d=0時,失效概率p=50%,當d=1、2、3時,失效概率分別為15.87%、2.27%、0.13%[11].

3.2 各個測點的損傷評估結果

遼河大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)數據正式開始采集時間為2013年7月2日,本文統(tǒng)計了跨中截面C2、C6、C8、C9、C11共計5個不同種類測點.2013年7月開始一年內不同節(jié)點的結構損傷情況見表2.

表2 各測點損傷評估表Table2 Damage assessment Tableof each measuring point

從評估表可以看出:在目前交通狀況下,該橋各個測點的服役期限都大于了設計基準期限100年.底板測點2為底板與U肋縱向焊接連接,預期壽命為666年,可以認為在服役期限內結構不會在底板與U肋縱向焊接處產生疲勞破壞;測點8與測點9為頂板與U肋縱向焊接連接處,結構的疲勞壽命約為450年;測點6與測點11為橫隔板與U肋下緣連接處,結構的疲勞壽命約為230年,此類節(jié)點的結構損傷度最大,主要由于該處連接等級較低、U肋和橫隔板同時產生撓曲變形且變形不一致,使該處產生較大的剪應力和彎曲應力.以上各類節(jié)點綜合評估結果表明,橫隔板與U肋下緣連接處為箱梁的最薄弱位置應該重點監(jiān)測,加強維護.

4 結 論

(1) 利用雨流計法對大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中應變數據,進行按季度應力幅統(tǒng)計,該方法統(tǒng)計的結果可以較準確地用于結構疲勞損傷分析.

(2) 選取季度應力幅為標準應力幅進行統(tǒng)計,相比日標準應力幅更具代表性.統(tǒng)計結果表明頂板應力幅大于底板,且冬季低溫環(huán)境下,頂板應力幅變化達到最大,大于其他三季度.底板應力幅在四個季度內變化幅度相似.

(3) 對于實測的結構損傷情況,橫隔板與U肋下緣連接處為箱梁的最容易破壞處,該處應該重點監(jiān)測,加強維護.

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[11] BS 5400 Part 10.Code of Practice for Fatigue[S].London: BSI,1982.

【責任編輯: 祝 穎】

Characteristic of Fatigue Stresses in Steel Box-Girders of Liaohe River Bridge

GouHongbing1,3,HuTieming2,ZhangGuanhua3,YuChuanjun3

(1.Liaoning Datong Highway Engineering Co.,Ltd.,Shenyang 110044,China; 2.Key Laboratory of Geoenvironmental Engineering,Shenyang University,Shenyang 110044,China; 3.Highway Bridge Diagnosis Technology of Transportation Industry R & D Center,Shenyang 110166,China)

In order to study the fatigue life of the steel box girder under cold environment,the stress monitoring data of Liaohe River Bridge for a period of 12 months are analyzed.By using the wavelet packet decomposition method to filter and reconstruct the stress data,the quarterly stress spectrum is obtained by processing the reconstructed stress with rain flow meter method.The fatigue assessment of different types of nodes of Liaohe River Bridge are done by the combination of the quarterly stress spectrum,Miner linear cumulative damage rule and the individual joint fatigue strength curve of BS5400 specification.The results are: the damage degree of the junction of diaphragms and lower edge of U lib is the biggest,followed by the longitudinally welded joints of roof and U rib,and the damage degree of longitudinally welded joints of bottom plate and U rib is the smallest.The results show that the junction of diaphragms and U rib needs maintenance.

bridge engineering; quarterly stress spectrum; steel box girder; fatigue damage; rain flow meter method

2015-01-22

遼寧省交通科研重點項目(201204).

茍紅兵(1989-),男,四川蓬溪人,遼寧大通公路工程有限公司助理工程師,碩士; 胡鐵明(1972-),男,遼寧沈陽人,沈陽大學教授,博士; 張冠華(1974-),男,遼寧錦州人,遼寧省交通規(guī)劃設計院教授級高工,博士; 于傳君(1974-),男,遼寧丹東人,遼寧省交通規(guī)劃設計院教授級高工,碩士.

2095-5456(2015)04-0318-06

U 441+.4

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