實測動應變在城市拱橋焊縫疲勞壽命評估中的應用

吳明 許慧榮

摘 要：基于實測動應變對城市景觀拱橋焊縫疲勞壽命評估進行了研究，利用記錄的應變（應力）時程數據進行疲勞壽命評估，為準確可靠的研究方法；主梁最容易發生疲勞破壞的部位是各個構造細部，因為在構造細部處往往會產生應力集中，使該處應力遠高于構件其他部位，結合雨流計數法技術，得到“日應力譜”，并利用相關疲勞規范研究該橋焊縫疲勞壽命。

關鍵詞：動應變；城市拱橋；焊縫疲勞；壽命評估

引言

城市景觀橋是依據當地歷史、文化、環境等塑造的有特色橋型，它可成為城市中獨特性、唯一性的象征。然而由于其特殊的背景以及結構受力要求，往往城市中景觀橋采用異性鋼結構，拱橋由于其拱軸線流線美觀以及受力合理等優勢，經常是各業主以及設計者們首先方案，從而大、中、小城市鋼結構拱橋數量倍增。

隨著國家城鎮化浪潮的推進，各城市、尤其是大、中城市交通量的巨增，運營期鋼結構拱橋壽命已漸漸成為大家關注的重點。由于異性結構受力復雜以及荷載不確定性，人們并很難從理論分析方面進行有效控制或預測。考慮本國國情，除特大型橋梁，城市大、中型橋梁絕大多數未安裝長期監測系統，因此，目前對此類鋼結構橋型壽命評估方法研究非常必要。

為了準確評估鋼橋結構中的疲勞損傷狀態和結構剩余疲勞壽命，首先需要保證用于橋梁構件疲勞評估的應力譜是精確的。以往獲取疲勞應力譜的途徑是在對橋梁上的交通荷載調查統計的基礎上，建立代表運營狀況的車輛交通荷載模型，從而實現荷載歷程的模擬和疲勞應力譜的計算[1]。但是這種交通載荷的模擬實際上很難準確再現隨時間變化的橋梁實際的工作狀態。

隨著橋梁結構監測技術的發展，這種建立在經驗以及統計基礎上的應力譜計算將可以被安裝在橋梁上的結構監測系統某段周期內實時采集的應變-時程所替代，由此得到的疲勞應力譜較之按照規范或統計的車輛載荷計算得到的應力譜，更加真實和準確地再現結構的工作狀態，在實現疲勞壽命的精確評估方面邁進了一大步，保證了疲勞壽命評估的準確性和可靠性[2][3]。

1 基于實測動應變的疲勞性能評價方法

（1）將應變時程數據乘以構件的彈性模量得到測點的應力時程數據，并對應力時程數據進行雨流計數得到測點的應力譜；（2）根據英國疲勞規范和Cuninghame的報告（CuninghameJ.R.1990，FatigueclassificationofweldedjointsinorthorpicsteeldeskbridgeTRRLreportRR259，1990），確定所監測的構造細部的疲勞等級，選擇可接受的失效概率，得到構造細部的S-N曲線；（3）按照Miner法則計算構造細部的疲勞壽命。

2 實例分析

文章利用實測的應變數據對某座城市拱橋鋼結構主梁疲勞性能進行評估，本橋上部結構采用提籃拱式系桿拱，系桿與橫梁采用鋼箱梁結構，下部結構為樁柱式橋臺，橋梁全長為73.5m，橋梁總寬為36m。

具體評估步驟如下：

（1）實驗前計算分析

為了掌握橋梁結構在活載作用下受力特性，以便指導焊縫應力測點的布置，試驗前對橋梁在設計活載作用下進行了計算分析。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），橋梁構件應力計算結果如下：

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

（2）測點布置

根據移動荷載作用下橋梁結構計算分析結果、構件局部構造及現場實施實驗條件綜合考慮，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（焊縫應力集中易處）以及端、中橫梁中部下緣焊縫進行動應變測點布置，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 系梁測點布置

圖3 系梁測點布置

表1 測點編號表

（3）數據處理

數據處理主要步驟為：應力時程曲線處理、繪制日應力譜、疲勞損傷及壽命預估。

a.應力實測曲線處理

每個測點以應變傳感器采樣頻率20Hz24小時連續監測，在得到應變傳感器所記錄的每天的應變時程數據后，乘以鋼材的彈性模量（206000Mpa）得到應力時程數據，如圖1。

測點1 測點2

測點3 測點4

圖4 測點應力時程曲線

b.繪制日應力譜

日應力譜繪制采用雨流法計數對應力峰值和谷值序列進行計數。所使用的雨流計數法程序不事先設定應力幅的等級，計數后得到的每個應力幅對應的循環次數只有兩個值：如果是全循環則為1，如果是半循環則為0.5。所以在計數后，需要將應力幅劃分為若干區段，以將應力幅對應的循環數歸并為若干應力幅等級，所得到的直方圖即為應力譜。

根據應力時程曲線采用雨流法計數計算個測點日應力譜計算結果如表2及圖5，各測點應力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構疲勞規范，在計算疲勞壽命時，低于2.0MPa的應力循環被舍棄。一方面，舍棄低應力循環可以縮減需要處理的數據量。另一方面，通過比較發現，使用舍棄了低于2.0MPa的應力循環和使用全部應力循環計算得到的壽命值完全一致。在應力譜中，劃分應力幅的區段長度為1.0MPa。因為通過比較發現，即使區段劃分的很細，如區段長度取0.1MPa，計算得到的疲勞壽命值基本不變。

根據英國鋼結構疲勞規范，角焊縫所屬疲勞等級的判定為英國疲勞規范的“F”級。在英國鋼結構疲勞規范中， 關系由

下式給出：

式中：N是在應力幅σr作用下構件發生破壞所需要的次數；參數K0、Δ及m可根據構造細部的疲勞等級由規范得到，對于等級“F”，K0=1.73×1012，Δ=0.605，m=3.0；參數d稱為概率因子，不同的取值對應不同的失效概率，d=0，失效概率為50%；當d=2，失效概率為2.3%。

由規范可知，疲勞等級為“F”的構造細部對應的疲勞極限σ0=40MPa。對于小于σr疲勞極限的應力幅，按照規范，其循環次數需按（σr /σ0）2的比例進行折減。在得到了標準日應力譜和S-N關系后，即可計算出各測點各應力幅值所對應的損傷值及疲勞預測壽命值如表2。

表2 各測點各應力幅對應的損傷值

3 結束語

文章根據城市鋼結構拱橋疲勞應力進行檢測與分析，可得出以下結論：

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

（2）由于城市測試環境非常復雜，數據監測時應遠離通訊信號發射塔等信號源，數據分析應剔除日照溫度、白噪聲影響。

（3）鋼結構拱橋疲勞測試時可同時統計橋梁交通量，根據統計交通量推算疲勞計算車輛模型，進行有限元理論計算，并對實測值與理論值進行比較，更好指導后續研究工作。

參考文獻

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[4]Cuninghame J.R.1990，Fatigue classification of welded joints in orthor

picsteel desk bridge TRRL report [R].259，1990.

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。