梁 柱

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

自20世紀(jì)90年代以來(lái),隨著我國(guó)交通建設(shè)的快速發(fā)展,越來(lái)越多的跨江、跨海、跨峽谷大跨徑纜索支撐橋梁陸續(xù)建成,我國(guó)橋梁的設(shè)計(jì)建造水平快步提高，由橋梁大國(guó)邁向橋梁強(qiáng)國(guó)。大跨徑纜索支撐橋梁大部分采用鋼主梁結(jié)構(gòu),在車輛、風(fēng)等交變荷載的長(zhǎng)期作用下,鋼結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生疲勞裂紋,影響橋梁的耐久性乃至安全性[1]。從設(shè)計(jì)角度,在《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64-2015)發(fā)布實(shí)施之前,我國(guó)公路鋼橋規(guī)范在疲勞設(shè)計(jì)方面的規(guī)定比較簡(jiǎn)單,主要參考美國(guó)、歐洲等國(guó)外規(guī)范[2]。在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中,由于我國(guó)交通量的快速增長(zhǎng)和客觀存在的超載現(xiàn)象,一些鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞問(wèn)題特別是鋼箱梁正交異性橋面板的疲勞開(kāi)裂問(wèn)題日益突出[3]。隨著橋梁管理要求及管理意識(shí)的不斷提高,不少新建的特大型橋梁在建設(shè)期間開(kāi)始同步建設(shè)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),前期國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者利用江陰長(zhǎng)江大橋、潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋等橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)實(shí)際運(yùn)營(yíng)荷載作用下的鋼箱梁進(jìn)行了疲勞分析研究,但相關(guān)研究主要是根據(jù)BS5400規(guī)范或Eurocode 3規(guī)范開(kāi)展[4，5]。本文在將我國(guó)最新鋼橋規(guī)范JTG D64-2015及歐洲規(guī)范Eurocode 3對(duì)比分析后,采用我國(guó)鋼橋設(shè)計(jì)新規(guī)范定義的S-N曲線和Palmgren-Miner線性累積損傷準(zhǔn)則進(jìn)行疲勞分析和壽命評(píng)估,可以為橋梁開(kāi)展預(yù)防性養(yǎng)護(hù)提供有效的依據(jù)。

1 橋梁概況

馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋全線總里程36.14 km,按全封閉、全立交6車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)車速為100 km/h。左汊主橋?yàn)橹骺?×1 080 m三塔兩跨懸索橋,中塔為鋼-混疊合塔,兩邊塔為混凝土塔。加勁梁兩跨連續(xù),采用流線型扁平鋼箱梁,標(biāo)準(zhǔn)段中心線處梁高3.5 m,總寬38.5 m,鋼箱梁橫隔板除兩端加剪力較大部分采用實(shí)腹結(jié)構(gòu)外,中間部分采用空腹式桁架結(jié)構(gòu),橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖

2 應(yīng)變監(jiān)測(cè)

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

鋼箱梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)的目的是為了了解在交通、風(fēng)、溫度等荷載作用下鋼箱梁的受力安全狀態(tài)并為鋼箱梁疲勞分析提供依據(jù)。馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的鋼箱梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面主要布設(shè)在兩跨的四分點(diǎn)及支點(diǎn)附近,應(yīng)變測(cè)點(diǎn)分布在頂板、U肋、空腹式橫隔板的斜桿上,每個(gè)斷面共計(jì)14個(gè)測(cè)點(diǎn)。應(yīng)變監(jiān)測(cè)采用光纖光柵應(yīng)變計(jì),采樣頻率為20 Hz。橫斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2、圖3所示。

圖2 鋼箱梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)橫斷面布置圖

圖3 應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置局部示意圖

2.2 應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理

代表性選取北跨跨中頂板順橋向測(cè)點(diǎn)YB-3-01在2019年某一天的應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制時(shí)程曲線,如圖4所示?？梢钥闯?在一中橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)隨著溫度的升高而增大,呈現(xiàn)出顯著的溫度效應(yīng),因此在進(jìn)行疲勞分析前需要采用濾波的方法對(duì)溫度效應(yīng)進(jìn)行修正,消除溫度效應(yīng)后的應(yīng)變時(shí)程如圖5所示。

圖4 YB-3-01應(yīng)變時(shí)程(溫度修正前)

圖5 YB-3-01應(yīng)變時(shí)程(溫度修正后)

經(jīng)過(guò)修正后的應(yīng)變數(shù)據(jù)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)彈性模量可轉(zhuǎn)化為監(jiān)測(cè)部位的名義應(yīng)力,然而由于疲勞損傷產(chǎn)生的開(kāi)裂往往是發(fā)生在焊縫處,因此實(shí)際分析時(shí)還需要將監(jiān)測(cè)到的名義應(yīng)力乘以相應(yīng)的修正系數(shù)轉(zhuǎn)化為焊縫處的熱點(diǎn)應(yīng)力,修正主要考慮局部應(yīng)力分布和應(yīng)力集中效應(yīng)、焊趾處的殘余應(yīng)力和焊接缺陷[6]。由于本橋的應(yīng)變監(jiān)測(cè)主要為U肋下緣和頂板的縱向應(yīng)變,監(jiān)測(cè)部位未發(fā)生明顯的幾何變化,因此重點(diǎn)考慮由焊接過(guò)程引起的位于焊趾的殘余應(yīng)力和缺陷影響系數(shù)。

3 疲勞分析

3.1 分析方法

鋼結(jié)構(gòu)疲勞分析通常采用Palmgren-Miner線性累積損傷理論,其形式簡(jiǎn)單且對(duì)于隨機(jī)荷載具有較好的精度,在工程上應(yīng)用廣泛。對(duì)于變幅荷載,Palmgren-Miner理論假定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受k個(gè)不同應(yīng)力水平的作用,在應(yīng)力水平Δσi作用下經(jīng)歷了ni個(gè)循環(huán),應(yīng)力幅Δσi所對(duì)應(yīng)的疲勞破壞循環(huán)次數(shù)為Ni,用Di來(lái)度量在各應(yīng)力水平循環(huán)作用下所造成的損傷,則ni個(gè)循環(huán)造成的疲勞損傷為Di=ni/Ni,當(dāng)損傷累積等于1時(shí),將發(fā)生疲勞破壞,即疲勞破壞的判據(jù)為:

D=∑ki=1Di=∑ki=1niNi=1

(1)

式中:Ni為應(yīng)力水平。

設(shè)計(jì)鋼橋時(shí),主要是根據(jù)規(guī)范給出的疲勞車輛荷載模型并結(jié)合有限元模型進(jìn)行加載分析和疲勞驗(yàn)算。在運(yùn)營(yíng)階段,也可以通過(guò)交通調(diào)查或安裝在橋上的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)采集到車輛數(shù)據(jù),建立基于實(shí)際運(yùn)營(yíng)車輛的荷載模型對(duì)鋼箱梁進(jìn)行疲勞分析[7]。本文采用的方法是利用馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)鋼箱梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)在一定時(shí)段內(nèi)的應(yīng)變時(shí)程,經(jīng)過(guò)修正后得到應(yīng)力時(shí)程樣本,再利用雨流計(jì)法統(tǒng)計(jì)出應(yīng)力幅及相應(yīng)的頻次,最后依據(jù)Palmgren-Miner線性累積損失理論計(jì)算出損傷度,進(jìn)一步根據(jù)樣本周期線性推算出熱點(diǎn)部位的疲勞壽命,分析流程如圖6所示。

圖6 基于實(shí)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)的疲勞分析流程

3.2 疲勞強(qiáng)度S-N曲線的選取

在最新的《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64-2015)發(fā)布實(shí)施之前,對(duì)于正交異性橋面板的疲勞分析及不同構(gòu)造細(xì)節(jié)的S-N曲線通常參考Eurocode 3規(guī)范。對(duì)比我國(guó)鋼橋新規(guī)范與歐洲規(guī)范Eurocode 3可知,兩者采用的S-N曲線的分段形式和斜率取值均相同,S-N曲線的表達(dá)式表示為:

logN=loga-mlogΔS

其中,當(dāng)N<=5×106時(shí),m=3.0;N>=5×106時(shí),m=5.0。

在構(gòu)造細(xì)節(jié)分類上,我國(guó)鋼橋新規(guī)范與歐洲規(guī)范也基本相同,但個(gè)別細(xì)節(jié)類別取值即200萬(wàn)次循環(huán)疲強(qiáng)度的參考值稍有不同,我國(guó)規(guī)范略偏保守。以正交異性橋面板閉口加勁肋的縱肋焊縫為例,對(duì)比情況見(jiàn)表1所示,本文在分析時(shí)按我國(guó)規(guī)范取用。

表1 閉口加勁肋縱肋焊縫疲勞細(xì)節(jié)類別對(duì)比

3.3 疲勞分析結(jié)果

本文基于馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),選取2019年某一周的鋼箱梁頂板、U肋縱向應(yīng)變數(shù)據(jù)為樣本,按雨流計(jì)數(shù)法獲得的代表性測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力譜如圖7所示。

圖7 雨流計(jì)數(shù)法獲得的應(yīng)力譜

按照規(guī)范定義的S-N曲線及Palmgren-Miner累計(jì)損傷理論,計(jì)算得到一周內(nèi)相關(guān)疲勞熱點(diǎn)產(chǎn)生的損傷度如圖8所示。

圖8 損傷度三維分布圖

熱點(diǎn)部位的損傷度及根據(jù)樣本分析周期推算出的疲勞壽命見(jiàn)到表2。

表2 熱點(diǎn)部位疲勞壽命估計(jì)

從上述結(jié)果可以看出:

(1) 根據(jù)一周應(yīng)變樣本產(chǎn)生的損傷度來(lái)看,下游側(cè)貨車道U肋底面焊縫處產(chǎn)生的損傷度最大,其次為下游側(cè)貨車道頂板,應(yīng)急車道和超車道頂板處的損傷度很小。

(2) 在當(dāng)前實(shí)際運(yùn)營(yíng)荷載下,本橋監(jiān)測(cè)的熱點(diǎn)部位產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)較小,根據(jù)規(guī)范S-N曲線和Palmgren-Miner線性累積損傷準(zhǔn)則計(jì)算的疲勞壽命均大于100年,結(jié)合人工橋梁定期檢測(cè)的結(jié)果來(lái)看,也與上述結(jié)果相一致。

4 結(jié) 論

考慮到我國(guó)實(shí)際橋梁運(yùn)營(yíng)荷載情況,利用橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),根據(jù)我國(guó)最新鋼橋規(guī)范JTG D64-2015和Palmgren-Miner線性累積損傷準(zhǔn)則進(jìn)行疲勞分析,可以對(duì)現(xiàn)役鋼箱梁橋面板的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè),并可以與人工定期檢測(cè)相對(duì)比,為橋梁開(kāi)展預(yù)防性養(yǎng)護(hù)提供有效的依據(jù)。