基于隨機荷載的引水隧洞交通鋼橋疲勞荷載計算研究

王曉文

(遼寧江河水利水電工程建設監理有限公司， 遼寧 東港 118300)

0 前 言

引水隧洞交通鋼橋疲勞荷載是其穩定性計算的難點和重點，其疲勞荷載的準確計算對于引水隧洞設計安全穩定至關重要[1]。當前，對于引水隧洞交通鋼橋的疲勞荷載研究取得一定成果[2-8],但大都從原型試驗的方式對其疲勞荷載進行分析，對于大型工程，這種方式具有較好的適用性，但對于工程造價較低的引水隧洞而言，這種方式需要的造價較高，適用性不高。近些年來，一種基于隨機荷載的計算方法在一些橋梁疲勞荷載分析中得到應用[9-15]，但在水利工程上應用還較少，為探討該方法的適用性，文章以某引水隧洞為具體工程實例，采用隨機荷載方法對其交通鋼橋的疲勞荷載進行計算，從而探討該方法的適用性。研究成果對于其他水利工程疲勞荷載計算具有參考價值。

1 隨機荷載計算方法

隨機荷載計算方法主要通過建立變量隨機分布概率來計算，計算方程為：

(1)

式中：π為檢驗水平；x、α分別表隨機荷載值；l為隨機荷載上限。隨機荷載方法對其斷裂臨界點的疲勞因子進行計算：

da/dN=C[(△K)m-(△Kth)m]

(2)

疲勞穩定以及加速階段的疲勞因子計算方程分別為：

da/dN=C(△K)m

(3)

(4)

式中：△K為強度因子；α為剛體斷裂長度，mm；N為隨機荷載次數；da/dN為斷裂深度，mm；C、m為環境系數；R為結構系數；KC為強度指數；Kth為最小強度指數。其裂紋擴展度計算公式為：

a=a0+(af-a0)(n/Nf)af

(5)

式中：Nf為應力破壞次數；σ為應力變幅；Nf為荷載破壞次數；a0為裂紋初始深度，mm；af為斷裂初始深度，mm；n為總荷載次數。af的計算方程為：

(6)

2 工程實例

引水隧洞工程交通鋼橋的總寬度為6m，為正交型橋梁結構，上部應力鋼板跨度為16m,采用樁徑為1.2m的單排樁作為其橋臺的基礎樁。采用隨機荷載的方式對該鋼橋整體結構的疲勞荷載進行計算。

2.1 拉伸強度試驗結果

結合隨機荷載計算方法對不同鋼筋條件下的鋼橋進行拉伸量進行計算，邊板不同鋼筋條件下的拉伸量計算對比結果，見表1；中板不同鋼筋條件下的拉伸量計算對比結果，見表2。

從計算結果可看出，不同鋼筋條件下兩種類型鋼板下計算值和實際拉伸值的計算誤差均低于5%，滿足設計標準要求。不同鋼板類型下其拉伸值隨著鋼筋比例的提高而逐步增加，邊板拉伸變幅總體低于中板的拉伸變幅，由于正交鋼板技術影響使得中板的拉伸強度高于邊板的拉伸強度。

2.2 疲勞荷載曲線計算

結合隨機荷載計算方法對引水隧道交通鋼橋中板和邊板的疲勞荷載曲線進行計算，引水隧洞交通鋼橋邊板疲勞荷載曲線計算結果，見表3；引水隧洞交通鋼橋中板疲勞荷載曲線計算結果，見表4。

表1 邊板不同鋼筋條件下的拉伸量計算對比結果

表2 中板不同鋼筋條件下的拉伸量計算對比結果

表3 引水隧洞交通鋼橋邊板疲勞荷載曲線計算結果

表4 引水隧洞交通鋼橋中板疲勞荷載曲線計算結果

從計算結果可看出，引水隧洞交通鋼橋的中板和邊板隨著荷載次數的增加其疲勞強度逐步提高，當循環荷載次數從1000次提高到600000000次后，其鋼板疲勞度達到最高，處于斷裂臨界點，鋼橋中板疲勞強度變幅總體低于邊板，但循環荷載次數達到最大值，其應力變幅高于邊板。

2.3 常規荷載條件下鋼橋疲勞荷載計算

在常規荷載條件下，對引水隧洞鋼橋總體結構和正交異性疲勞荷載進行計算，引水隧洞鋼橋總體結構疲勞荷載計算結果，見表5；引水隧洞鋼橋正交異性鋼板疲勞荷載計算結果，見表6。

表5 引水隧洞鋼橋總體結構疲勞荷載計算結果

表6 引水隧洞鋼橋正交異性鋼板疲勞荷載計算結果

從引水隧洞交通鋼橋總體結構和正交異性鋼板疲勞荷載計算結果可看出，鋼橋腹板焊接疲勞極限次數可到39次，在總體結構中具有最高疲勞強度，相比于其他結構更易出現疲勞斷裂，因此需要對引水隧洞鋼橋腹板連接處進行加固。從不同方法疲勞荷載計算對比結果可看出，相比于傳統方法，新方法可采用隨機荷載計算方法，可提高引水隧洞交通鋼橋疲勞荷載的計算精度。

3 結 論

1)不同鋼板類型下其拉伸值隨著鋼筋比例的提高而逐步增加，邊板拉伸變幅總體低于中板的拉伸變幅，由于正交鋼板技術影響使得中板的拉伸強度高于邊板的拉伸強度。

2引水隧洞交通鋼橋的中板和邊板隨著荷載次數的增加其疲勞強度逐步提高,鋼橋中板疲勞強度變幅總體低于邊板，但循環荷載次數達到最大值，其應力變幅高于邊板。

3)從不同方法疲勞荷載計算對比結果可看出，相比于傳統方法，新方法可采用隨機荷載計算方法，可提高引水隧洞交通鋼橋疲勞荷載的計算精度。