跨江懸索橋鋼箱梁應變監測及疲勞分析

梁 柱

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

自20世紀90年代以來,隨著我國交通建設的快速發展,越來越多的跨江、跨海、跨峽谷大跨徑纜索支撐橋梁陸續建成,我國橋梁的設計建造水平快步提高，由橋梁大國邁向橋梁強國。大跨徑纜索支撐橋梁大部分采用鋼主梁結構,在車輛、風等交變荷載的長期作用下,鋼結構容易產生疲勞裂紋,影響橋梁的耐久性乃至安全性[1]。從設計角度,在《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64-2015)發布實施之前,我國公路鋼橋規范在疲勞設計方面的規定比較簡單,主要參考美國、歐洲等國外規范[2]。在實際運營中,由于我國交通量的快速增長和客觀存在的超載現象,一些鋼結構橋梁的疲勞問題特別是鋼箱梁正交異性橋面板的疲勞開裂問題日益突出[3]。隨著橋梁管理要求及管理意識的不斷提高,不少新建的特大型橋梁在建設期間開始同步建設橋梁健康監測系統,前期國內相關學者利用江陰長江大橋、潤揚長江大橋等橋梁健康監測系統獲取的應變監測數據,對實際運營荷載作用下的鋼箱梁進行了疲勞分析研究,但相關研究主要是根據BS5400規范或Eurocode 3規范開展[4，5]。本文在將我國最新鋼橋規范JTG D64-2015及歐洲規范Eurocode 3對比分析后,采用我國鋼橋設計新規范定義的S-N曲線和Palmgren-Miner線性累積損傷準則進行疲勞分析和壽命評估,可以為橋梁開展預防性養護提供有效的依據。

1 橋梁概況

馬鞍山長江公路大橋全線總里程36.14 km,按全封閉、全立交6車道高速公路標準設計,設計車速為100 km/h。左汊主橋為主跨2×1 080 m三塔兩跨懸索橋,中塔為鋼-混疊合塔,兩邊塔為混凝土塔。加勁梁兩跨連續,采用流線型扁平鋼箱梁,標準段中心線處梁高3.5 m,總寬38.5 m,鋼箱梁橫隔板除兩端加剪力較大部分采用實腹結構外,中間部分采用空腹式桁架結構,橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖

2 應變監測

2.1 測點布置

鋼箱梁應變監測的目的是為了了解在交通、風、溫度等荷載作用下鋼箱梁的受力安全狀態并為鋼箱梁疲勞分析提供依據。馬鞍山長江公路大橋結構健康監測系統中的鋼箱梁應變監測斷面主要布設在兩跨的四分點及支點附近,應變測點分布在頂板、U肋、空腹式橫隔板的斜桿上,每個斷面共計14個測點。應變監測采用光纖光柵應變計,采樣頻率為20 Hz。橫斷面監測點布置如圖2、圖3所示。

圖2 鋼箱梁應變監測橫斷面布置圖

圖3 應變監測點布置局部示意圖

2.2 應變監測數據的預處理

代表性選取北跨跨中頂板順橋向測點YB-3-01在2019年某一天的應變監測數據繪制時程曲線,如圖4所示。可以看出,在一中橋梁健康監測系統采集到的應變數據隨著溫度的升高而增大,呈現出顯著的溫度效應,因此在進行疲勞分析前需要采用濾波的方法對溫度效應進行修正,消除溫度效應后的應變時程如圖5所示。

圖4 YB-3-01應變時程(溫度修正前)

圖5 YB-3-01應變時程(溫度修正后)

經過修正后的應變數據根據鋼結構彈性模量可轉化為監測部位的名義應力,然而由于疲勞損傷產生的開裂往往是發生在焊縫處,因此實際分析時還需要將監測到的名義應力乘以相應的修正系數轉化為焊縫處的熱點應力,修正主要考慮局部應力分布和應力集中效應、焊趾處的殘余應力和焊接缺陷[6]。由于本橋的應變監測主要為U肋下緣和頂板的縱向應變,監測部位未發生明顯的幾何變化,因此重點考慮由焊接過程引起的位于焊趾的殘余應力和缺陷影響系數。

3 疲勞分析

3.1 分析方法

鋼結構疲勞分析通常采用Palmgren-Miner線性累積損傷理論,其形式簡單且對于隨機荷載具有較好的精度,在工程上應用廣泛。對于變幅荷載,Palmgren-Miner理論假定結構或構件承受k個不同應力水平的作用,在應力水平Δσi作用下經歷了ni個循環,應力幅Δσi所對應的疲勞破壞循環次數為Ni,用Di來度量在各應力水平循環作用下所造成的損傷,則ni個循環造成的疲勞損傷為Di=ni/Ni,當損傷累積等于1時,將發生疲勞破壞,即疲勞破壞的判據為:

D=∑ki=1Di=∑ki=1niNi=1

(1)

式中:Ni為應力水平。

設計鋼橋時,主要是根據規范給出的疲勞車輛荷載模型并結合有限元模型進行加載分析和疲勞驗算。在運營階段,也可以通過交通調查或安裝在橋上的動態稱重系統采集到車輛數據,建立基于實際運營車輛的荷載模型對鋼箱梁進行疲勞分析[7]。本文采用的方法是利用馬鞍山長江公路大橋結構健康監測系統鋼箱梁應變測點在一定時段內的應變時程,經過修正后得到應力時程樣本,再利用雨流計法統計出應力幅及相應的頻次,最后依據Palmgren-Miner線性累積損失理論計算出損傷度,進一步根據樣本周期線性推算出熱點部位的疲勞壽命,分析流程如圖6所示。

圖6 基于實測應變數據的疲勞分析流程

3.2 疲勞強度S-N曲線的選取

在最新的《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64-2015)發布實施之前,對于正交異性橋面板的疲勞分析及不同構造細節的S-N曲線通常參考Eurocode 3規范。對比我國鋼橋新規范與歐洲規范Eurocode 3可知,兩者采用的S-N曲線的分段形式和斜率取值均相同,S-N曲線的表達式表示為:

logN=loga-mlogΔS

其中,當N<=5×106時,m=3.0;N>=5×106時,m=5.0。

在構造細節分類上,我國鋼橋新規范與歐洲規范也基本相同,但個別細節類別取值即200萬次循環疲強度的參考值稍有不同,我國規范略偏保守。以正交異性橋面板閉口加勁肋的縱肋焊縫為例,對比情況見表1所示,本文在分析時按我國規范取用。

表1 閉口加勁肋縱肋焊縫疲勞細節類別對比

3.3 疲勞分析結果

本文基于馬鞍山長江公路大橋結構健康監測系統,選取2019年某一周的鋼箱梁頂板、U肋縱向應變數據為樣本,按雨流計數法獲得的代表性測點的應力譜如圖7所示。

圖7 雨流計數法獲得的應力譜

按照規范定義的S-N曲線及Palmgren-Miner累計損傷理論,計算得到一周內相關疲勞熱點產生的損傷度如圖8所示。

圖8 損傷度三維分布圖

熱點部位的損傷度及根據樣本分析周期推算出的疲勞壽命見到表2。

表2 熱點部位疲勞壽命估計

從上述結果可以看出:

(1) 根據一周應變樣本產生的損傷度來看,下游側貨車道U肋底面焊縫處產生的損傷度最大,其次為下游側貨車道頂板,應急車道和超車道頂板處的損傷度很小。

(2) 在當前實際運營荷載下,本橋監測的熱點部位產生疲勞開裂的風險較小,根據規范S-N曲線和Palmgren-Miner線性累積損傷準則計算的疲勞壽命均大于100年,結合人工橋梁定期檢測的結果來看,也與上述結果相一致。

4 結 論

考慮到我國實際橋梁運營荷載情況,利用橋梁健康監測系統獲取的應變監測數據,根據我國最新鋼橋規范JTG D64-2015和Palmgren-Miner線性累積損傷準則進行疲勞分析,可以對現役鋼箱梁橋面板的開裂風險進行評估和預測,并可以與人工定期檢測相對比,為橋梁開展預防性養護提供有效的依據。