大跨懸索橋索梁錨固區疲勞養護概率優化方法

摘要：合理的橋梁養護規劃應在養護費用與失效風險之間找到一個合理的平衡。將養護費用分為檢測費用，維修費用與失效費用，將線彈性斷裂力學、結構可靠度理論、全壽命成本分析法結合起來，提出了基于全壽命周期成本的焊接構件疲勞養護概率優化的方法。考慮了檢測概率、養護決策者的維修意愿、維修措施概率和失效概率等多種因素，把橋梁養護優化問題變為在焊接結構或構件滿足在生命周期內最小允許可靠度的基礎下，養護總費用最小的問題，并提出了簡化計算方法。以青草背長江大橋索梁錨固區的關鍵疲勞細節養護為例，研究了主要參數對最優檢測時刻的影響，研究結果表明，考慮了失效成本后，最優疲勞養護時刻提前，折現率對養護費用影響明顯。當車輛荷載逐年增加時，索梁錨固區在設計基準期內疲勞破壞風險增大，應引起足夠的重視。

關鍵詞：線彈性斷裂力學；可靠度；索梁錨固區；維修策略；疲勞；折現率；概率優化

中圖分類號：U448

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2014）02002107

Abstract：it is necessary to balance the failure risk and the maintenance expensive. A methodology for reliability based maintenance optimization of steel bridge welded joints subjected to fatigue is proposed considering linear elastic fracture mechanics （LEFM）， the structure reliability， life cycle cost method and maintenance strategies. The maintenance cost is divided into inspection， repair and failure sections according to the whole life cycle cost methodology. And the maintenance strategy is transformed to the minimum expected lifetime costs with a constraint of the minimum acceptable reliability index. An case concerning to a transverse stiffener of bottom flange welded joint of Qingcaobei bridge is studied with a certain number of simplifications. Some sensitivity analysis is provided. Among all the parameters， discount rate is the most remarkable.

Key words：LEFM； reliability； cablegirder welded anchorage zones； maintenance strategy； fatigue； interest rate； probabilistic optimization

懸索橋吊桿（索）與加勁梁之間的錨固區（通常稱為索梁錨固區）是主纜和加勁梁之間的傳力構件，是控制加勁梁設計的重要部位。索梁錨固區結構復雜，應力集中，吊桿（索）索力由它傳給主梁，其力學性能直接關系全橋的安全[13]。在風與車輛等反復荷載作用下，易發生疲勞破壞。隨著中國交通運輸業的迅速發展，交通流量不斷增加[4]，索梁錨固區更易發生疲勞破壞。

許多大跨度懸索橋修建時對吊索在鋼主梁上錨固區域的疲勞性能進行了疲勞試驗研究[13，5]。但這些研究大都集中在索梁錨固系統的受力分析與疲勞性能評估，對其養護評估涉及較少。本文基于全壽命養護方法[6]，把橋梁的養護費用分為檢測費用、維修費用與失效費用，其中檢測費用和維修費用為實際費用，失效費用為風險費用，將線彈性斷裂力學（LEFM）、結構可靠度理論、全壽命成本分析法用于焊接鋼橋的養護策略，提出了疲勞養護概率優化的方法，以輔助焊接鋼橋構件養護決策；通過優化維修時間間隔實現最優的維修費用，并用于懸索橋的索梁錨固系統的疲勞維修示例中。

1基于LEFM的疲勞壽命可靠性評估

在反復荷載作用下，鋼構件會出現裂紋，且在荷載作用下不斷擴展，易導致疲勞失效[7]。疲勞裂紋擴展的影響因素往往都是隨機的，鋼構件的疲勞壽命往往具有較大的隨機性，因此其疲勞壽命可靠性評估一般采用概率分析的方法[8]。

3.4交通量對疲勞可靠度的影響

隨著社會經濟水平的不斷發展，汽車保有量逐年增長，橋梁承受的交通荷載也會不斷地增長，橋梁結構焊接細節所承受的疲勞荷載效應也會持續地增長。在計算服役期內焊接細節的疲勞可靠度時，須將計入疲勞荷載效應的增長。通過蒙特卡洛法模擬計算式（11），則索梁錨固區焊接細節的疲勞可靠度如圖7所示。

3.5車輛載重變化對疲勞可靠度的影響

4結論

1）將養護費用分為檢測費用，維修費用與失效費用，其中檢測與維修費用是實際發生的費用，而失效費用屬于風險效應成本，表示疲勞失效可能造成的損失。提出了鋼橋焊接構件的疲勞養護優化方法，將養護優化問題變為在構件滿足最小允許可靠度的總費用最小的問題。該方法考慮了平均應力、決策者的維修意愿概率和費用成本等多種因素，使分析疲勞養護優化更接近工程實際。

2）在忽略次要因素的基礎上，對該疲勞養護優化方法進行了簡化，該簡化方法簡單實用，可操作性強，適用面廣。

3）以青草背大橋的主梁的耳板式索梁錨固區的疲勞養護為例，在簡化次要參數的基礎上分析了檢測費用、維修費用、失效費用以及折現率等主要參數對最優檢測時刻的影響。

4）結構的可靠度隨交通量增長而下降，疲勞養護時刻相應提前。索梁錨固區的焊接細節的疲勞破壞風險隨車輛荷載逐年增加而增大，應引起足夠的重視。限于篇幅，本文只列舉了索梁錨固區疲勞焊接一個細節的養護策略，并未列出其他疲勞細節。多疲勞細節的疲勞養護優化是今后的研究方向。

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（編輯胡玲）