實(shí)測動應(yīng)變在城市拱橋焊縫疲勞壽命評估中的應(yīng)用

吳明 許慧榮

摘 要：基于實(shí)測動應(yīng)變對城市景觀拱橋焊縫疲勞壽命評估進(jìn)行了研究，利用記錄的應(yīng)變（應(yīng)力）時程數(shù)據(jù)進(jìn)行疲勞壽命評估，為準(zhǔn)確可靠的研究方法；主梁最容易發(fā)生疲勞破壞的部位是各個構(gòu)造細(xì)部，因?yàn)樵跇?gòu)造細(xì)部處往往會產(chǎn)生應(yīng)力集中，使該處應(yīng)力遠(yuǎn)高于構(gòu)件其他部位，結(jié)合雨流計數(shù)法技術(shù)，得到“日應(yīng)力譜”，并利用相關(guān)疲勞規(guī)范研究該橋焊縫疲勞壽命。

關(guān)鍵詞：動應(yīng)變；城市拱橋；焊縫疲勞；壽命評估

引言

城市景觀橋是依據(jù)當(dāng)?shù)貧v史、文化、環(huán)境等塑造的有特色橋型，它可成為城市中獨(dú)特性、唯一性的象征。然而由于其特殊的背景以及結(jié)構(gòu)受力要求，往往城市中景觀橋采用異性鋼結(jié)構(gòu)，拱橋由于其拱軸線流線美觀以及受力合理等優(yōu)勢，經(jīng)常是各業(yè)主以及設(shè)計者們首先方案，從而大、中、小城市鋼結(jié)構(gòu)拱橋數(shù)量倍增。

隨著國家城鎮(zhèn)化浪潮的推進(jìn)，各城市、尤其是大、中城市交通量的巨增，運(yùn)營期鋼結(jié)構(gòu)拱橋壽命已漸漸成為大家關(guān)注的重點(diǎn)。由于異性結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜以及荷載不確定性，人們并很難從理論分析方面進(jìn)行有效控制或預(yù)測。考慮本國國情，除特大型橋梁，城市大、中型橋梁絕大多數(shù)未安裝長期監(jiān)測系統(tǒng)，因此，目前對此類鋼結(jié)構(gòu)橋型壽命評估方法研究非常必要。

為了準(zhǔn)確評估鋼橋結(jié)構(gòu)中的疲勞損傷狀態(tài)和結(jié)構(gòu)剩余疲勞壽命，首先需要保證用于橋梁構(gòu)件疲勞評估的應(yīng)力譜是精確的。以往獲取疲勞應(yīng)力譜的途徑是在對橋梁上的交通荷載調(diào)查統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，建立代表運(yùn)營狀況的車輛交通荷載模型，從而實(shí)現(xiàn)荷載歷程的模擬和疲勞應(yīng)力譜的計算[1]。但是這種交通載荷的模擬實(shí)際上很難準(zhǔn)確再現(xiàn)隨時間變化的橋梁實(shí)際的工作狀態(tài)。

隨著橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，這種建立在經(jīng)驗(yàn)以及統(tǒng)計基礎(chǔ)上的應(yīng)力譜計算將可以被安裝在橋梁上的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)某段周期內(nèi)實(shí)時采集的應(yīng)變-時程所替代，由此得到的疲勞應(yīng)力譜較之按照規(guī)范或統(tǒng)計的車輛載荷計算得到的應(yīng)力譜，更加真實(shí)和準(zhǔn)確地再現(xiàn)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，在實(shí)現(xiàn)疲勞壽命的精確評估方面邁進(jìn)了一大步，保證了疲勞壽命評估的準(zhǔn)確性和可靠性[2][3]。

1 基于實(shí)測動應(yīng)變的疲勞性能評價方法

（1）將應(yīng)變時程數(shù)據(jù)乘以構(gòu)件的彈性模量得到測點(diǎn)的應(yīng)力時程數(shù)據(jù)，并對應(yīng)力時程數(shù)據(jù)進(jìn)行雨流計數(shù)得到測點(diǎn)的應(yīng)力譜；（2）根據(jù)英國疲勞規(guī)范和Cuninghame的報告（CuninghameJ.R.1990，F(xiàn)atigueclassificationofweldedjointsinorthorpicsteeldeskbridgeTRRLreportRR259，1990），確定所監(jiān)測的構(gòu)造細(xì)部的疲勞等級，選擇可接受的失效概率，得到構(gòu)造細(xì)部的S-N曲線；（3）按照Miner法則計算構(gòu)造細(xì)部的疲勞壽命。

2 實(shí)例分析

文章利用實(shí)測的應(yīng)變數(shù)據(jù)對某座城市拱橋鋼結(jié)構(gòu)主梁疲勞性能進(jìn)行評估，本橋上部結(jié)構(gòu)采用提籃拱式系桿拱，系桿與橫梁采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)為樁柱式橋臺，橋梁全長為73.5m，橋梁總寬為36m。

具體評估步驟如下：

（1）實(shí)驗(yàn)前計算分析

為了掌握橋梁結(jié)構(gòu)在活載作用下受力特性，以便指導(dǎo)焊縫應(yīng)力測點(diǎn)的布置，試驗(yàn)前對橋梁在設(shè)計活載作用下進(jìn)行了計算分析。計算模型如圖1

圖1 橋梁計算模型

在移動荷載作用下（主車道4車道），橋梁構(gòu)件應(yīng)力計算結(jié)果如下：

在移動荷載作用下系梁計算結(jié)果：系梁上緣最大拉應(yīng)力為30.6MPa，最大壓應(yīng)力為41.7MPa，最大應(yīng)力幅值為72.3MPa；下緣最大拉應(yīng)力為51.5MPa，最大壓應(yīng)力為17.6MPa，最大應(yīng)力幅值為69.1MPa；最大應(yīng)力及最大應(yīng)力幅值均發(fā)生在系梁L/4處；橫梁上緣最大拉應(yīng)力為52.9MPa，最大壓應(yīng)力為67.8MPa，最大應(yīng)力幅值為67.8MPa；下緣最大拉應(yīng)力為67.7MPa，最大壓應(yīng)力為53.1MPa，最大應(yīng)力幅值為67.7MPa；根據(jù)計算結(jié)果分析，最大應(yīng)力及最大應(yīng)力幅值均發(fā)生中橫梁中部。

（2）測點(diǎn)布置

根據(jù)移動荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)計算分析結(jié)果、構(gòu)件局部構(gòu)造及現(xiàn)場實(shí)施實(shí)驗(yàn)條件綜合考慮，選取系梁L/4附近處豎向焊縫與縱向焊縫、系梁變截面處豎向焊縫（焊縫應(yīng)力集中易處）以及端、中橫梁中部下緣焊縫進(jìn)行動應(yīng)變測點(diǎn)布置，如圖2、圖3。具體測位置及編號見表1。

縱向布置

橫向布置

圖2 系梁測點(diǎn)布置

圖3 系梁測點(diǎn)布置

表1 測點(diǎn)編號表

（3）數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要步驟為：應(yīng)力時程曲線處理、繪制日應(yīng)力譜、疲勞損傷及壽命預(yù)估。

a.應(yīng)力實(shí)測曲線處理

每個測點(diǎn)以應(yīng)變傳感器采樣頻率20Hz24小時連續(xù)監(jiān)測，在得到應(yīng)變傳感器所記錄的每天的應(yīng)變時程數(shù)據(jù)后，乘以鋼材的彈性模量（206000Mpa）得到應(yīng)力時程數(shù)據(jù)，如圖1。

測點(diǎn)1 測點(diǎn)2

測點(diǎn)3 測點(diǎn)4

圖4 測點(diǎn)應(yīng)力時程曲線

b.繪制日應(yīng)力譜

日應(yīng)力譜繪制采用雨流法計數(shù)對應(yīng)力峰值和谷值序列進(jìn)行計數(shù)。所使用的雨流計數(shù)法程序不事先設(shè)定應(yīng)力幅的等級，計數(shù)后得到的每個應(yīng)力幅對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)只有兩個值：如果是全循環(huán)則為1，如果是半循環(huán)則為0.5。所以在計數(shù)后，需要將應(yīng)力幅劃分為若干區(qū)段，以將應(yīng)力幅對應(yīng)的循環(huán)數(shù)歸并為若干應(yīng)力幅等級，所得到的直方圖即為應(yīng)力譜。

根據(jù)應(yīng)力時程曲線采用雨流法計數(shù)計算個測點(diǎn)日應(yīng)力譜計算結(jié)果如表2及圖5，各測點(diǎn)應(yīng)力0～1MPa占50%左右，1～10MPa占30～40%，10～40MPa占10～20%左右。

c.焊縫疲勞壽命評估

焊縫疲勞壽命評估是基于英國鋼結(jié)構(gòu)疲勞規(guī)范，在計算疲勞壽命時，低于2.0MPa的應(yīng)力循環(huán)被舍棄。一方面，舍棄低應(yīng)力循環(huán)可以縮減需要處理的數(shù)據(jù)量。另一方面，通過比較發(fā)現(xiàn)，使用舍棄了低于2.0MPa的應(yīng)力循環(huán)和使用全部應(yīng)力循環(huán)計算得到的壽命值完全一致。在應(yīng)力譜中，劃分應(yīng)力幅的區(qū)段長度為1.0MPa。因?yàn)橥ㄟ^比較發(fā)現(xiàn)，即使區(qū)段劃分的很細(xì)，如區(qū)段長度取0.1MPa，計算得到的疲勞壽命值基本不變。

根據(jù)英國鋼結(jié)構(gòu)疲勞規(guī)范，角焊縫所屬疲勞等級的判定為英國疲勞規(guī)范的“F”級。在英國鋼結(jié)構(gòu)疲勞規(guī)范中， 關(guān)系由

下式給出：

式中：N是在應(yīng)力幅σr作用下構(gòu)件發(fā)生破壞所需要的次數(shù)；參數(shù)K0、Δ及m可根據(jù)構(gòu)造細(xì)部的疲勞等級由規(guī)范得到，對于等級“F”，K0=1.73×1012，Δ=0.605，m=3.0；參數(shù)d稱為概率因子，不同的取值對應(yīng)不同的失效概率，d=0，失效概率為50%；當(dāng)d=2，失效概率為2.3%。

由規(guī)范可知，疲勞等級為“F”的構(gòu)造細(xì)部對應(yīng)的疲勞極限σ0=40MPa。對于小于σr疲勞極限的應(yīng)力幅，按照規(guī)范，其循環(huán)次數(shù)需按（σr /σ0）2的比例進(jìn)行折減。在得到了標(biāo)準(zhǔn)日應(yīng)力譜和S-N關(guān)系后，即可計算出各測點(diǎn)各應(yīng)力幅值所對應(yīng)的損傷值及疲勞預(yù)測壽命值如表2。

表2 各測點(diǎn)各應(yīng)力幅對應(yīng)的損傷值

3 結(jié)束語

文章根據(jù)城市鋼結(jié)構(gòu)拱橋疲勞應(yīng)力進(jìn)行檢測與分析，可得出以下結(jié)論：

（1）由于城市鋼結(jié)構(gòu)拱橋多數(shù)屬于中型橋梁，測試前可對其進(jìn)行計算分析，得出車輛荷載作用下最不利受力位置，用測更少點(diǎn)，得出客觀的評定結(jié)果，以便此方法在跟多中型橋梁中的應(yīng)用。

（2）由于城市測試環(huán)境非常復(fù)雜，數(shù)據(jù)監(jiān)測時應(yīng)遠(yuǎn)離通訊信號發(fā)射塔等信號源，數(shù)據(jù)分析應(yīng)剔除日照溫度、白噪聲影響。

（3）鋼結(jié)構(gòu)拱橋疲勞測試時可同時統(tǒng)計橋梁交通量，根據(jù)統(tǒng)計交通量推算疲勞計算車輛模型，進(jìn)行有限元理論計算，并對實(shí)測值與理論值進(jìn)行比較，更好指導(dǎo)后續(xù)研究工作。

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作者簡介：吳明（1981-）男，江蘇南京人，碩士，工程師，主要從事公路橋梁檢測評估及加固工作。