基于隨機車流的橋梁構件疲勞分析及其疲勞荷載模型研究

李紹華

摘? 要：精細化的結構性能評估是橋梁大建設后的前沿性課題，可為橋梁的運營、管理和維護提供持續性優化。目前，諸多橋梁在運營使用多年后出現了大量的病害及損傷，對于橋梁構件疲勞性分析研究意義重大。蕪湖長江公路二橋構建系統在活載作用下的疲勞性能非常突出，模擬正常隨機車流作用下的構件疲勞應力幅特性，建立疲勞車輛荷載模型。

關鍵詞：隨機車流作用;正交異性橋面板;構造細節;疲勞性

中圖分類號：U441.4? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）27-0049-03

Abstract： Refined structure evaluation has become one of the most popular research topics nowadays; the result of the researches could provide valuable continuous optimization for the operation， management and maintenance of the bridge. At present， a lot of issues and damages start to occur after the bridges being in use for several years; therefore， it is important and meaningful to study the fatigue of bridge members further more. The fatigue characteristic of Wuhu Yangtze River Highway Second Bridge under live load is prominent. This research simulates the fatigue stress amplitude under random traffic flow state based on Wuhu Yangtze River Highway Second Bridge， and establishes the fatigue vehicle load model according to the research results.

Keywords： random traffic flow affection; orthotropic bridge deck; structure detail; fatigue

引言

提高運營期橋梁受荷效應的評估精度，對于降低運營期間發生的顯著損傷及垮塌等惡性事故、優化全壽命成本，具有重大意義。Jacob等使用WIM技術，實測車輛信息、車輛實距、交通流量和車輛跟馳等車流信息[1]。Lee等通過圖像處理技術識別車輛位置及復雜變道、跟馳等微觀交通信息[2]。Hollander研究了車輛加速、減速、換道等微觀駕駛行為對橋梁荷載的影響[3]。Chen等應用了交通領域的元胞自動機建模技術，引入隨機性交通元胞自動機，進行荷載流仿真[4]。Xia等指出對于正交異性橋面板問題，由于其顯著影響區域非常有限，可以模擬車軸的作用計算其疲勞性能[5]。Nowak指出對于簡支梁橋跨中彎矩的疲特性需將詳細車輛信息等特性考慮進去[6]。蕪湖長江公路二橋采用四面索同向回轉拉索體系及正交異性鋼橋面板，這兩個構件在活載作用下的構建疲勞性能較突出，本文通過模擬正常隨機車流作用下的構件疲勞應力幅特性，研究等效于實際車流作用狀況的疲勞車輛荷載模型。

1 拉索疲勞荷載效應及疲勞車輛荷載模型

1.1 隨機車流模擬工況

影響疲勞累積損傷的因素很多，如：平均應力、少數極高應力、應力次序、低疲應力，重復循環塊的大小以及材料本身都對累積損傷有較大的影響。將變幅疲勞轉化為常幅疲勞的方法如下。構造細部的常幅度疲勞曲線方程為：

（1）

由此可得該構造細部在Δσi、ni（i=1，2，3......）重復荷載作用下的損傷度為：

由上式可得該構造細部在“等效常幅Δσ0”應力循環作用下的疲勞破壞次數為N0：

以Δσ0重復∑niN0次時的損傷度為：

令Db=D0，則有：

于是有：

（6）

針對斜拉索的疲勞車輛荷載效應計算，模擬正常車留下拉索的應力情況，并根據雨流計數法計算拉索的應力幅頻次曲線，最后基于線性損傷準則獲得斜拉索的等效疲勞應力幅。本文考慮不同日均交通流量的作用，計算中跨跨中拉索、中跨四分點拉索和中跨近塔柱處拉索的應力幅和月累計頻次。

1.2 疲勞荷載效應分析

基于線性損傷累積準則和雨流計數法，可以計算不同交通流量下的各關鍵拉索的等效應力幅和月累計頻次，如表1所示。隨著日均交通流量的增加，拉索等效應力幅近似呈現線性變化，可用函數表示：

（7）

Δσ-拉索等效應力幅;

Δσq-交通流量。

三個典型的拉索構件中，中跨跨中拉索的等效應力幅是最低的，中跨近索塔處拉索的等效應力幅是最高的，說明短拉索的應力幅更大，其疲勞效應問題也更加突出。

1.3 與規范疲勞模型的比較

表1對比了實際車流作用與規范疲勞車輛荷載模型下的拉索等效損傷應力幅。可見，模型I計算的等效應力幅顯著大于模型II的結果，模型I更為不利。通過對比模型I與實際車流效應下的等效應力幅，可以看到實際車流作用下的等效應力幅基本上低于規范疲勞模型I，由于疲勞荷載模型I定義的是有限壽命設計狀態，采用規范疲勞模型I進行計算能夠保證拉索的疲勞安全性。

1.4 疲勞車輛荷載模型

考慮到大跨徑斜拉橋拉索影響面的分布特點，可以沿用目前《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2015）所規定的疲勞荷載模型的形式，所采用的均布荷載大小根據實際車流作用下的等效應力幅反算其取值。最終推定拉索疲勞車輛荷載效應評估模型為qk=4kN/m，Pk=560kN，η=0.05AADT+0.6，qk，Pk均為三車道取值。

（8）

η-交通流量對均布荷載集度的修正;

qk-交通流量80000veh/d均布線荷載集度取值;

Pk-交通流量80000veh/d集中荷載取值。

2 正交異性橋面板疲勞荷載效應與模型

蕪湖二橋采用正交異性鋼橋面板，其結構疲勞問題尤為突出。采用對板厚、肋厚的參數化分析，選取合理方案。

2.1 疲勞分析方法與車輛荷載模擬

2.1.1 分析方法

熱點應力法考慮了結構應力集中效應，彌補完善了名義應力法。焊趾自身缺口效應則在S-N曲線中考慮。焊接結構中的熱點是焊趾處一臨界位置，結構熱點應力計算方法是基于對該位置進行力學性能評估。由于焊接構件存在焊縫形狀、切口等因素引起非線性應力峰值影響，表面外推法采用距離焊趾一定距離的參考點的表面應力，計算結構熱點應力。

“a”型和“c”型焊趾處結構熱點應力分布于結構厚度具有相關性，其外推點位置根據厚度確定。超出焊縫焊趾0.4倍厚度處，非線性應力峰值基本消失，應力分不出呈線性變化。“b”型焊趾處結構應力分布不依賴于構件厚度，其外推點位置以絕對數值進行確定。

2.1.2 S-N曲線的選取

眾多學者經過大量綜合分析及試驗對比，認為當使用其建議的有限元模型及外推法確定熱點應力值時，可以應用FAT90作為一條通用的熱點應力S-N曲線（適用于板厚t<25mm，否則應進行必要的板厚修正）。該曲線在DNV規范中得到應用，其相關參數見表3。

2.1.3 車輛荷載模擬

建立鋼箱梁節段有限元模型，通過熱點應力法獲取構造細節應力狀態。采用隨機車流模擬，僅需考慮縱向單個重車的輪載對橋面板作用，考慮所有車輛的橫向位置方差900mm2，所有車道均相同考慮，按照0.3m的橫向間隔對車輪橫向位置的概率統計，發現呈正態分布狀態。

模擬持續30天，通過影響面加載，獲得給定細節的應力時程結果，通過雨流法計數獲得應力幅頻次曲線，并參照AASHTO規范的疲勞分析考慮1.05的沖擊系數。

2.2 構造細節疲勞荷載效應分析

通過分析不同橋面板厚度組合下的結構細節應力時程結果，計算其等效損傷應力幅值。結果表明，隨機車流作用下的疲勞細節等效應力幅比規范稍大;重車道鋼板厚度的增加，會減少結構細節的疲勞應力幅值;U型加勁肋厚度的增加，可以有效降低構造細節疲勞應力幅50%以上。綜上所述，對于蕪湖二橋正交異性橋面板的疲勞設計推薦使用方案：重車道18mm+輕車道16mm+U型加勁肋8mm的組合模式。

3 疲勞車輛荷載模型推導

正交異性橋面板的構造細節影響面的分布范圍是有限的，控制正交異性鋼橋面板構造細節疲勞荷載效應的主要是車輛的車輪加載。考慮超載重車作用，擬對現有的疲勞車輛荷載模型進行修訂。基于上述研究結論，推導的疲勞車輛荷載模型基本沿用目前《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2015）的疲勞計算模型，軸重取值70kN+140kN+140kN的組合方式。

4 結束語

文章研究了隨機車流作用下橋梁構造的疲勞特性并推定了用于構件疲勞分析的車輛荷載模型。根據蕪湖二橋的設計特點，提出了基于實際車流作用特點的橋梁構件疲勞評估用車輛荷載模型。

參考文獻：

[1]Ieng S S. Bridges Influence Line Estimation for Bridge Weigh-in-Motion System[J]. Journal of Computing in Civil Engineering， 2014，29.

[2]Lee J J， Shinozuka M. Real-Time Displacement Measurement of a Flexible Bridge Using Digital Image Processing Techniques[J]. Experimental Mechanics， 2006，46（1）：105-114.

[3]Hollander Y， Liu R. The principles of calibrating traffic microsimulation models[J]. Transportation， 2008，35（3）：347-362.

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[5]Zhu H B， Xia B， Zhao Y. RC Beam Bridge's Fatigue Cumulative Damage Rule Research[J]. Advanced Materials Research， 2013，787：4.

[6]CHEUNG， M. S， LI， etal. Probabilistic fatigue and fracture analyses of steel bridges[J]. Structural Safety， 2003，25（3）：245-262.