基于實測和外推車輛的橋梁疲勞性能研究

(重慶交通大學 重慶 400074)

在過去人們對車輛荷載的研究主要集中在車輛荷載對公路橋梁的板面破壞上，很少有考慮車輛荷載對橋梁主體結構產生了嚴重的損傷，車輛荷載的反復作用會對橋梁主體結構造成永久損害，使其使用壽命大大縮短，其承載能力也會隨著服役時間的推移而加速減小。目前，隨著社會經濟的發展，交通路網越來越發達，車輛的數量與荷載也同步迅速增加，車輛對橋梁主體結構承載能力的要求也越來越高，這就造成了橋梁承載能力和交通荷載水平對橋梁承載能力需求兩者之間的矛盾，而如果這一矛盾不能得到解決，勢必會對交通安全造成嚴重影響。因此探究不斷變化的車輛荷載對鋼筋混凝土橋梁造成的疲勞問題是相當必要和急迫的。

一、國內外學者對基于實測和外推車輛的橋梁疲勞性能研究現狀

(一)實測車輛荷載研究

1、梅鋼等(2003)針對110國道進行交通調查統計，統計結果發現該國道上的車輛主要由大量的普通車輛和大量的超重滿載煤車組成，可用雙峰密度函數作為車輛荷載分布密度函數，得到了在一般運行和密集運行兩種狀態下的統計規律，并提出了描述公路橋梁車輛荷載的概率模型一濾過復合更新過程模型及后續使用期內車輛荷載評估值的取法。2、王碩(2007)通過對上海市車輛荷載進行調查統計，利用統計分析方法對車輛間距和車重樣本數據進行處理，采用濾過復合更新過程來模擬車輛荷載隨機過程，建立了上海市城市橋梁交通荷載模型。依據此調查結果，采用蒙特卡洛方法對車輛荷載進行數值模擬，建立實際橋梁交通荷載模型，并利用此模型對典型橋梁進行可靠度評估和限載研究。3、楊曉艷(2018)基于全國23個省區不同治超政策公路測站點實測車輛荷載數據的統計分析，分別建立了非治超、計重收費和治超地區公路橋梁快車道、中間車道、慢車道的車輛荷載概率模型。在此基礎上對橋梁的可靠度進行了分析。

(二)外推車輛研究

1、王炎等(2006)在傳統車流量預測方法具有預測時間長、準確性低等缺陷的基礎上，將BP神經網絡和遺傳算法相結合，提出了一種基于遺傳一神經網絡的新型預測模型。該模型將兩種算法進行改進，以保證預測效率和精準率得到有效提高。結果表明，預測結果與實際調查結果吻合較好，該模型具有較好的預測性能。2、蔣麗忠等(2010)提出了基于灰色理論預測與馬爾可夫鏈相結合的預測方法，即:灰色馬爾可夫鏈交通量預測模型。馬爾可夫預測能反映出隨機波動對交通量預測的影響，模型中的灰色預測曲線能較好的反映交通量歷史發展趨勢。該方法能夠有效的控制受趨勢值以及波動性的影響，克服了單一預測模型在交通量預測中應用的局限性，能達到對交通量進行準確、綜合預測的目的。預測結果表明:該模型精度良好，預測結果與實際狀況吻合較好，灰色馬爾可夫鏈預測方法可以作為一種行之有效的交通量預測方法。

(三)橋梁疲勞性能研究

1、朱紅兵(2014)四在對貴新公路交通荷載調查的墓礎上，建立了公路鋼筋混凝土梁橋疲勞車輛模型，通過計算得到橋梁跨中彎矩幅的分布規律，并行室內疲勞試驗，通過對試驗結果分析，建立了橋梁承載力退化一剛度退化關聯模型，利用此模型預測了鋼筋混凝土T梁的承載力，同時還提出基于耗散能密度的疲勞壽命預測方法，并對茅草沖大橋引橋進行疲勞壽命預測，預測壽命為65年。2、董小紅(2012)在總結與混凝土結構疲勞斷裂機理相關文獻的基礎上提出既有混凝土橋梁的疲勞壽命和使用安全評估方法，通過實測得到控制橋梁疲勞破壞的鋼筋應力譜，運用基于S一曲線和斷裂力學的疲勞壽命評估方法，對某一實際公路橋梁的疲勞壽命進行評估。

二、總結評述

綜上所述，國內外大多是以一段時間內的實測移動稱重數據經過統計分析得到車輛荷載概率模型或者進行疲勞強度驗算和通過外推獲得長期內的荷載效應最大值。

在實際工程中結構或構件的疲勞破壞是結構或構件在承受遠小于其極限強度的荷載甚至低于屈服荷載的作用下，經過無數次的荷載循環，材料內部的疲勞損傷累計達到一定程度，致使結構或構件突然脆性斷裂。車輛每駛過一次橋梁便相當于對橋梁進行了一次加載與卸載過程，由此可知橋梁的疲勞和車輛荷載的時間歷程息息相關。短時間的實測數據樣本并不能反映車輛量在時間歷程上的變化規律，同時荷載效應最大值主要是對橋梁承載能力可靠性進行評估，并不能直接用于疲勞計算，也不能反映橋梁在車輛變化中的損傷累積等情況。

三、本文的研究方向

本文預計通過利用灰色系統理論，將通過已有的歷年交通量建立GM(1,1)模型，并用其預測后續年份交通量增長情況得到可以預測未來年份交通量發展的灰色馬爾科夫隨機過程模型。通過MATLAB軟件模擬隨機車流，利用影響線對橋梁進行隨機荷載流加載得到橋梁構件的內力歷程，在此基礎上進行與實際更為吻合的鋼筋混凝土橋梁疲勞性能的理論研究。