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(xué) 遼寧省環(huán)境巖土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110044;3.公路橋梁診治技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心,遼寧 沈陽 110166)

遼河大橋鋼箱梁疲勞應(yīng)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(xué) 遼寧省環(huán)境巖土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110044;3.公路橋梁診治技術(shù)交通運(yùn)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(jìn)行研究,以遼河大橋?yàn)橐劳泄こ?對為期12個月的應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.運(yùn)用小波包分解法對應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波與重構(gòu),重構(gòu)后的應(yīng)力通過雨流計數(shù)法處理得到“季度應(yīng)力譜”,將“季度應(yīng)力譜”結(jié)合miner線性累積損傷準(zhǔn)則和BS5400規(guī)范中的各個連接部位疲勞強(qiáng)度曲線,對遼河大橋不同種類的節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行了疲勞評估.評估結(jié)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(qiáng)養(yǎng)護(hù).

橋梁工程; 季度應(yīng)力譜; 鋼箱梁; 疲勞損傷; 雨流計法

運(yùn)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(fēng)載荷等,且由于一般大橋處于海上或者河口,所在處的風(fēng)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(zhǔn)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(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究[1-4].余波、邱洪興等對江陰長江大橋?yàn)槠?天的應(yīng)力進(jìn)行分析得到了其標(biāo)準(zhǔn)日應(yīng)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(yáng)大橋懸索橋和斜拉橋進(jìn)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(jìn)行了對比分析[6].鄧楊、丁幼亮等對潤揚(yáng)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(diǎn)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(yīng)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(shù)學(xué)模型,并劃分了相應(yīng)的評價等級標(biāo)準(zhǔn)[8].

本文中,作者以遼河特大橋?yàn)閷?shí)際依托工程,運(yùn)用matlab軟件和雨流計法將健康監(jiān)測系統(tǒng)中采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力值,再將應(yīng)力值轉(zhuǎn)化為應(yīng)力循環(huán),然后將應(yīng)力循環(huán)進(jìn)行統(tǒng)計即得到應(yīng)力譜.每月隨機(jī)選取10 d的應(yīng)力幅作為標(biāo)準(zhǔn)季度應(yīng)力幅的樣本值,依據(jù)歐洲規(guī)范(Eurocode3)修訂的S-N曲線和miner線性累積損傷準(zhǔn)則對鋼箱梁進(jìn)行疲勞損傷評估.

1 工程概況

遼河特大橋?yàn)檫|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?？谔?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(fēng)影響很大;該處春季溫和,少雨多風(fēng),夏季炎熱,雨量集中,秋季涼爽,雨量適當(dāng),冬季較長,多數(shù)為寒冷時期[9].

大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)安裝有風(fēng)速風(fēng)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(yùn)行.本文分析涉及到的鋼箱梁應(yīng)變監(jiān)測截面共24個,每截面設(shè)置有12個測點(diǎn),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(yīng)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(shù)據(jù)的預(yù)處理

由于橋梁應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)受外部環(huán)境及內(nèi)部自身因素相結(jié)合的復(fù)雜狀況影響,采集的數(shù)據(jù)可能含有一定的噪聲干擾,所以對被測對象進(jìn)行濾波是結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別的第一步.作者運(yùn)用小波分析法對應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,通過大量實(shí)驗(yàn)后,選用小波包db8對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行3層小波變換濾波,然后對濾波后的信號進(jìn)行單支重構(gòu).對測點(diǎn)C7在2014年7月1日20:00:00至20:05:00總共5 min內(nèi)的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波與重構(gòu)后的結(jié)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(gòu)信號進(jìn)行對比,可以看出數(shù)據(jù)中噪聲干擾因素很小,噪聲干擾最大處為結(jié)構(gòu)突然受汽車載荷沖擊時.表明噪聲對結(jié)構(gòu)影響最大時刻主要為結(jié)構(gòu)受到局部沖擊載荷時.

2.2 季度標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力譜

以前大多數(shù)學(xué)者習(xí)慣將應(yīng)力幅轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力幅[4-6],而作者通過對遼河大橋日應(yīng)力幅統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),使用標(biāo)準(zhǔn)日應(yīng)力幅法對統(tǒng)計的結(jié)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(yīng)力幅統(tǒng)計結(jié)果,可以看出各個階段應(yīng)力幅出現(xiàn)次數(shù)在不同的天數(shù)具有隨機(jī)性,每天的應(yīng)力幅走勢都不相同.用某一日標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力幅來代表每天的應(yīng)力幅,不具備代表性.因此本文以季度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)力幅變化規(guī)律的統(tǒng)計.

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

表1 不同日期應(yīng)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(jié)構(gòu)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)分別為4 064、4 442、2 401次,每天應(yīng)力循環(huán)次數(shù)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(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力譜,應(yīng)用于結(jié)構(gòu)損傷評定,得到的損傷量必然與真實(shí)的結(jié)構(gòu)損傷存在一定的差距.

由于遼河特大橋應(yīng)變采集頻率為20 Hz,每天采集72 000個應(yīng)變數(shù)據(jù),將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行雨流計處理過程非常煩瑣,為了提高計算速率,作者隨機(jī)選取每月中10 d的應(yīng)變數(shù)據(jù),作為標(biāo)準(zhǔn)季度應(yīng)力幅樣本,每季度內(nèi)共三個月,對大橋跨中截面鋼箱梁頂板的C2點(diǎn)應(yīng)力幅進(jìn)行統(tǒng)計,統(tǒng)計結(jié)果見圖5.

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

進(jìn)一步對箱梁底板應(yīng)力幅進(jìn)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(jié)果見圖6.

鋼箱梁底板主要承擔(dān)風(fēng)載荷、溫度載荷與結(jié)構(gòu)自身內(nèi)力,根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果,無論哪個季節(jié)底板應(yīng)力幅都在8 MPa以下,且底板與頂板應(yīng)力幅循環(huán)次數(shù)相差不多,表明頂板大于8 MPa的應(yīng)力幅主要由汽車載荷產(chǎn)生.通過對遼河大橋溫度進(jìn)行統(tǒng)計,其春夏秋冬季平均溫度為8 ℃、22 ℃、17.5 ℃、-4.5 ℃,結(jié)合頂板應(yīng)力幅冬季大于其他季度的特點(diǎn),認(rèn)為頂板冬季應(yīng)力幅變化與低溫存在一定關(guān)系.

圖5 不同季節(jié)頂板應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)的疲勞累積損傷數(shù)量化定義,作者建立損傷數(shù)組[Di1,Di2,Di3,…,Di30],并將每季度應(yīng)力幅等分為30份[Si1,Si2,Si3,…,Si30].橋梁運(yùn)營過程中的疲勞損傷不斷累積增長,據(jù)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(yīng)應(yīng)力幅Si k的循環(huán)次數(shù);Nktotal為對應(yīng)K次循環(huán)時結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損傷需要的總應(yīng)力循環(huán)次數(shù);Di為截至i時刻結(jié)構(gòu)的累積疲勞損傷;Dequal為i與i-1時刻之間結(jié)構(gòu)的等效累積損傷.

根據(jù)英國的疲勞規(guī)范,本文處理的結(jié)構(gòu)焊縫類型為D級,其對應(yīng)的S-N關(guān)系式為:

(4)

式中:N為應(yīng)力幅為σr時對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù);m為雙對數(shù)坐標(biāo)系下S-N曲線斜率的負(fù)倒數(shù)[10];K0為強(qiáng)度系數(shù),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(shù)為0.3的對數(shù)正態(tài)分布;d為概率因子,當(dāng)d=0時,失效概率p=50%,當(dāng)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(diǎn)的損傷評估結(jié)果

遼河大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(diǎn).2013年7月開始一年內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)損傷情況見表2.

表2 各測點(diǎn)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(diǎn)的服役期限都大于了設(shè)計基準(zhǔn)期限100年.底板測點(diǎn)2為底板與U肋縱向焊接連接,預(yù)期壽命為666年,可以認(rèn)為在服役期限內(nèi)結(jié)構(gòu)不會在底板與U肋縱向焊接處產(chǎn)生疲勞破壞;測點(diǎn)8與測點(diǎn)9為頂板與U肋縱向焊接連接處,結(jié)構(gòu)的疲勞壽命約為450年;測點(diǎn)6與測點(diǎn)11為橫隔板與U肋下緣連接處,結(jié)構(gòu)的疲勞壽命約為230年,此類節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)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(chǎn)生撓曲變形且變形不一致,使該處產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力.以上各類節(jié)點(diǎn)綜合評估結(jié)果表明,橫隔板與U肋下緣連接處為箱梁的最薄弱位置應(yīng)該重點(diǎn)監(jiān)測,加強(qiáng)維護(hù).

4 結(jié) 論

(1) 利用雨流計法對大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)變數(shù)據(jù),進(jìn)行按季度應(yīng)力幅統(tǒng)計,該方法統(tǒng)計的結(jié)果可以較準(zhǔn)確地用于結(jié)構(gòu)疲勞損傷分析.

(2) 選取季度應(yīng)力幅為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力幅進(jìn)行統(tǒng)計,相比日標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力幅更具代表性.統(tǒng)計結(jié)果表明頂板應(yīng)力幅大于底板,且冬季低溫環(huán)境下,頂板應(yīng)力幅變化達(dá)到最大,大于其他三季度.底板應(yīng)力幅在四個季度內(nèi)變化幅度相似.

(3) 對于實(shí)測的結(jié)構(gòu)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(yīng)該重點(diǎn)監(jiān)測,加強(qiáng)維護(hù).

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【責(zé)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(diǎn)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(xué)教授,博士; 張冠華(1974-),男,遼寧錦州人,遼寧省交通規(guī)劃設(shè)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(shè)計院教授級高工,碩士.

2095-5456(2015)04-0318-06

U 441+.4

A