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        公路橋梁正交異性鋼橋面板承載疲勞的檢測

        2020-04-09 06:32:16
        建筑施工 2020年12期
        關(guān)鍵詞:橋梁檢測

        閆 紅

        中鐵十九局集團(tuán)第一工程有限公司 遼寧 遼陽 111000

        鋼橋投入使用后,橋面板受汽車或列車荷載的長期作用,極易發(fā)生因疲勞裂紋而導(dǎo)致的事故。僅在1938—1940年間,歐洲就有10座鋼橋發(fā)生倒塌。1995年,我國廣州的海印大橋出現(xiàn)局部斜拉索疲勞斷裂的問題,這一類事故均屬于由疲勞裂紋引起的突發(fā)性倒塌事故[1]。

        為提高橋梁的使用壽命和使用安全,眾多學(xué)者針對鋼橋面板承載疲勞檢測進(jìn)行大量研究。

        根據(jù)文獻(xiàn)[2]提出的斷裂學(xué)理論、文獻(xiàn)[3]提出的損傷學(xué)理論,相關(guān)學(xué)者提出了2個不一樣的公路橋梁正交異性鋼橋面板承載疲勞檢測方法,通過計算斷裂指數(shù)、分析損傷程度,實(shí)現(xiàn)對橋梁承載疲勞的檢測。

        但傳統(tǒng)檢測方法的定勢思維較為嚴(yán)重,所有研究均在公路橋梁正常承載力下完成,難以發(fā)現(xiàn)超荷載狀態(tài)下的橋梁疲勞規(guī)律。因此,本文提出公路橋梁正交異性鋼橋面板承載疲勞檢測研究。

        1 公路橋梁正交異性鋼橋面板承載疲勞檢測方法

        1.1 整體鋼橋面板組合結(jié)構(gòu)受力行為分析

        公路橋梁正交異性鋼橋面板承載疲勞檢測,首要目標(biāo)是分析整體鋼橋面板組合結(jié)構(gòu)受力行為,即橋梁組合結(jié)構(gòu)的受力情況。正交異性鋼橋面板組合結(jié)構(gòu)的受力情況十分復(fù)雜,多種橋面荷載向主桁結(jié)構(gòu)傳送受力,其中,鋼橋面板和橋體小橫梁,與下弦桿直接相連,下弦桿除了受主桁變形引起的拉壓力以外,還受豎向彎曲作用力的影響。此次檢測采用空間有限單元法,分析鋼橋面板組合結(jié)構(gòu)受力行為,行為指標(biāo)包括:橋面荷載傳力路徑和傳力比,該指數(shù)關(guān)系大橫梁和小橫梁的受力分析,以及主桁節(jié)點(diǎn)荷載和非節(jié)點(diǎn)荷載的確認(rèn);下弦桿和內(nèi)系梁的豎向彎曲指數(shù),該指數(shù)涉及小橫梁間的傳力比;橋面荷載對主桁的分配量,該指數(shù)關(guān)系主桁受力、下弦桿和系梁的豎向彎曲程度[4]。

        令大橫梁至主桁下弦節(jié)點(diǎn)之間的傳力路徑為L1,另一部分由橋面?zhèn)髦料孪覘U,再由下弦桿傳至主桁下弦節(jié)點(diǎn)的傳力路徑為L2。其中,路徑L1先縱向傳力、再橫向傳力,鋼橋面的受力小于總荷載的10%,縱肋受力荷載占比在30%~40%之間,縱梁受力在40%~50%之間。橋面受力后,力經(jīng)過節(jié)點(diǎn)大橫梁傳遞給下弦桿節(jié)點(diǎn),此時該位置的受力小于總荷載的50%;而L2則通過下弦桿將力傳給下弦桿節(jié)點(diǎn),此時該位置的受力大于總荷載的50%。設(shè)置這2個傳力比分別為P1和P2,則P1+P2=1[5]。根據(jù)上述傳力比,分別計算橋梁中桁和系梁之間、下桁和系梁之間的集中力,公式如下:

        式中:F1、F2——中桁和系梁、下桁和系梁之間的集中力;

        n——結(jié)構(gòu)之間的受力節(jié)間;

        φ1、φ2——每一節(jié)間內(nèi),中桁和下桁分配到的橋面荷 載比;

        F*——一個節(jié)間橋面荷載總和。

        路徑L1總的來說沒有影響中桁和下桁結(jié)構(gòu),因此默認(rèn)P1=F3,即主桁的直接受力值。根據(jù)上述受力值,分析鋼橋面板的豎向彎曲受力行為[6]。同時,由于公路橋梁的荷載分為一期恒載、二期恒載和活載,因此,以上述系數(shù)為參考,計算整體鋼橋面板組合結(jié)構(gòu)的受力分配方式。在兩主桁結(jié)構(gòu)中,橋梁的荷載是均勻分配的,但在三主桁結(jié)構(gòu)中,該受力分配是不均勻的。由結(jié)構(gòu)力學(xué)可知,當(dāng)3個支座都為剛性時,跨度為2L的梁邊支座反力為3qL/8,中支座的反力為10qL/8,二者之比為3∶10,該比例為下桁和中桁的受力之比極限值。通過上述對3個指標(biāo)的計算,實(shí)現(xiàn)對整體鋼橋面板組合結(jié)構(gòu)受力行為的分析。

        1.2 計算正交異性鋼橋面板承載力

        面板、縱肋和橫隔板組成正交異性鋼橋面板,滿足橋梁的不同受力需求,因此,在上述整體受力行為分析的基礎(chǔ)上,計算正交異性鋼橋面板承載力。圖1為正交異性鋼橋面板受力傳力過程[7]。

        圖1 正交異性鋼橋面板受力傳力過程

        根據(jù)圖1可知,橋面板作為縱肋和橫隔板上的一部分,直接承受荷載,又與主梁共同支撐橋面。在荷載作用下,正交異性鋼橋面板承受橋面荷載,先將荷載傳遞給縱肋,然后傳遞給橫隔板,最后傳遞給主梁。因此,根據(jù)上一節(jié)的分析結(jié)果,將正交異性鋼橋面板分為主梁體系、橋面結(jié)構(gòu)體系和面板體系。

        主梁體系的力學(xué)分析與一般梁相似,因此,可以按照初等梁彎曲計算方法確定具體取值,這里就不再過多描述。而橋面結(jié)構(gòu)體系,沿縱橋向方向,簡支在鋼箱梁的腹板上,沿橫橋向方向,彈性支撐在橫隔板上。

        從以往的研究結(jié)果可知,該結(jié)構(gòu)體系的實(shí)際承載能力大于小撓度彈性計算求得的支撐力,因此按照正交異性鋼橋面板理論計算其承載力,采用的計算方法為P-E法。該方法做出如下3個假設(shè):正交異性鋼橋面板簡支在順橋向的鋼箱梁腹板上,彈性支撐在橫橋向的等間距橫隔板上;鋼箱梁的腹板抗彎剛度為無窮大;橫向抗彎剛度等于橋面板剛度。

        該方法在第一階段計算縱、橫隔板的彎矩最大值,并求出橫隔板位置的支反力;然后在第二階段考慮橫隔板的柔度,修正第一階段的計算結(jié)果。

        面板體系直接承受荷載的局部作用,并將荷載傳遞給縱肋、橫隔板。而橋面板受力呈膜應(yīng)力狀態(tài),具有極大的超載能力,是造成面板疲勞開裂的重要因素,因此,本次研究考慮面板體系的膜應(yīng)力狀態(tài),對公路橋梁正交異性鋼橋面板承載疲勞進(jìn)行檢測時,必須考慮第三體系的承載力。采用彈性薄板理論分析面板體系,將面板看成支撐于彈性肋上的各向同性板,如圖2所示[8]。

        圖2 正交異性鋼橋面板三維坐標(biāo)系

        然后進(jìn)行承載力計算,同時默認(rèn)縱、橫隔板的剛度均勻分布,且與面板共同受力,則面板橫、縱向抗彎剛度分別為:

        式中:Wx、Wy——橫向、縱向抗彎剛度;

        E——彈性模量;

        Ix、Iy——橫向、縱向截面慣性矩;

        u、v ——橫、縱隔板間距。

        按橋面體系計算時,參考下列平衡微分方程:

        式中:τ ——正交異性板上的中間點(diǎn)在豎直方向上的撓度;

        f(x , y)——z方向的分布荷載;

        H——抗扭剛度。

        按照薄板理論求得上述公式后,求解式(3),得到齊次方程的一般解τ1和τ2,即τ1+τ2=τ。將結(jié)果代入式(2),得出實(shí)際抗彎剛度,至此完成對正交異性鋼橋面板承載力的計算。

        1.3 檢測正交異性鋼橋面板的疲勞程度

        根據(jù)上述計算結(jié)果,以傳統(tǒng)正交異性鋼橋面板有限元模型為參考,建立新型橋面板有限元模型,通過設(shè)定疲勞評價指標(biāo),檢測正交異性鋼橋面板的疲勞程度。由于該模型的建立與傳統(tǒng)模型的構(gòu)建方法較為相似,因此,不再著重描寫該模型的建立過程。

        對鋼橋面板進(jìn)行承載疲勞檢測時,利用名義應(yīng)力法和熱點(diǎn)應(yīng)力法,設(shè)定疲勞評價指標(biāo)。名義應(yīng)力的取值,通常以裂紋附近處的應(yīng)力值為標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)彈性理論獲得,即利用S-N曲線,得到結(jié)構(gòu)名義應(yīng)力,以此來評價橋面板的疲勞程度。

        對于比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)連接部位,一次名義應(yīng)力的計算是存在誤差的,需要進(jìn)行多次計算,取其平均參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)名義應(yīng)力,這是對于單一連接結(jié)構(gòu)來說的。而對于由多個零件組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)來說,需要利用熱點(diǎn)應(yīng)力法來評價橋面板的疲勞程度。熱點(diǎn)應(yīng)力法,首先要確定熱點(diǎn)應(yīng)力類型,而該類型按照結(jié)構(gòu)銜接位置,可分為3種結(jié)構(gòu),如圖3所示[9]。

        圖3 3種熱點(diǎn)應(yīng)力相對位置

        根據(jù)圖3可知,類型a位于附板的根部或者母板的表面,類型b位于附板的端面邊緣,類型c沿母板的銜接方向分布,則利用熱點(diǎn)應(yīng)為外推法,對2個銜接點(diǎn)或3個銜接點(diǎn)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性差值計算,公式為:式中:δ1——兩點(diǎn)線性外推計算結(jié)果。

        根據(jù)設(shè)定的評價指標(biāo),檢測正交異性鋼橋面板的疲勞程度,計算公式為:

        式中:μ ——膜應(yīng)力;

        Wx,y——式(2)所得抗彎剛度;

        t ——板厚度;

        gt——板厚方向的應(yīng)力分布。

        由于橋梁面板多為復(fù)雜結(jié)構(gòu)連接,因此檢測復(fù)雜鋼橋面板的承載疲勞程度時,不再使用名義應(yīng)力[10]。根據(jù)以上內(nèi)容檢測正交異性鋼橋面板的疲勞程度,實(shí)現(xiàn)對公路橋梁使用性能的分析。

        2 試驗研究

        將此次提出的檢測方法作為試驗組,將依據(jù)文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]提出的傳統(tǒng)檢測方法,分別作為對照1組和對照2組,進(jìn)行仿真對比試驗,檢驗不同檢測方法,是否可以在同樣的試驗環(huán)境下使用。

        2.1 試驗準(zhǔn)備

        利用仿真試驗環(huán)境模擬一個由正交異性鋼橋面板建立的公路橋梁。為保證試驗數(shù)據(jù)與實(shí)際工作相符,根據(jù)鋼橋面板各個主要構(gòu)造細(xì)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)疲勞強(qiáng)度允許值,構(gòu)造模擬橋梁。

        令試驗測試所用的橋梁模型與真實(shí)橋梁屬性和參數(shù)保持一致。設(shè)置2個試驗環(huán)境,第1組試驗環(huán)境:沒有大型貨車通行,無超載車輛,日均車流量較小;第2組試驗環(huán)境:有大型滿載車輛通行,來往的大、中、小型貨車中,45%的貨車為一般超載,15%的貨車為嚴(yán)重超載,且日均車流量大。測試2個試驗環(huán)境下,公路橋梁模型的工作狀態(tài)。運(yùn)行無異常后,以上述試驗環(huán)境為變量,利用3個測試組,檢測不同試驗環(huán)境中正交異性鋼橋面板的承載疲勞程度。

        2.2 第1組試驗測試與分析

        使用第1組測試環(huán)境,已知該環(huán)境中與4個結(jié)構(gòu)相連接的鋼面板承受的荷載較小。圖4為3個檢測方法的承載疲勞檢測結(jié)果。

        試驗測試通過失效系數(shù)來評價疲勞程度。圖中4條曲線為與鋼橋面板相連接的4個部位的橋面失效曲線。根據(jù)圖4可知,3個測試組得到的失效系數(shù)具有相似的變化規(guī)律,可見第1組橋梁疲勞檢測結(jié)果可信。導(dǎo)出具體數(shù)據(jù)后可知,3組方法的疲勞計算結(jié)果非常相似,可見3種方法在第1組試驗環(huán)境中具有很好的性能。

        2.3 第2組試驗測試與分析

        重置試驗環(huán)境和測試軟件,對第2組試驗環(huán)境下的橋面疲勞程度進(jìn)行檢測。已知該環(huán)境中與4個零件相連接的鋼面板承受的荷載較大。圖5為第2組試驗測試對比結(jié)果。

        根據(jù)圖5所示結(jié)果可知,試驗組失效曲線同樣具有一定的變化規(guī)律,而對照1組只有曲線A與試驗組相似,對照2組只有曲線C和試驗組相似,2個測試組中的其他失效曲線波動劇烈,完全失去規(guī)律性。

        經(jīng)逐步排查,證實(shí)試驗硬件與測試軟件均不存在故障,人為操作也沒有出現(xiàn)失誤的現(xiàn)象,可見2個傳統(tǒng)的疲勞檢測方法無法適用于第2組測試環(huán)境,同樣也無法應(yīng)用到實(shí)際工作中。

        圖4 疲勞程度檢測結(jié)果

        圖5 疲勞程度檢測結(jié)果

        鑒于第2組測試結(jié)果中對照組的試驗結(jié)果脫離實(shí)際,因此不再計算疲勞值。

        3 結(jié)語

        此次研究的鋼橋面板承載疲勞檢測方法,從3個結(jié)構(gòu)體系上計算橋面板的承載能力,沒有忽視任何一個細(xì)節(jié),從而令檢測方法適用于日均車流量大、來往車輛超載率高的公路橋梁,使檢測結(jié)果貼合公路橋梁的實(shí)際使用狀態(tài)。但此次沒有詳細(xì)介紹橋面板有限元模型的建立過程,因此今后可以對該模型的建立進(jìn)行分析說明,重點(diǎn)介紹建模使用的各項參數(shù)[11]。

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