裝配式T梁橋車輛疲勞荷載模型及疲勞性能研究

何見強,張林凱

(武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

近年來,隨著我國交通事業的發展,公路橋梁交通量和所承載負荷逐年增加,引起的橋梁結構疲勞問題日趨嚴重。目前,國外對橋梁疲勞荷載模型進行了大量研究[1],例如英國BS5400規范[2]中對于車輛疲勞荷載模型的統計最為全面,其將疲勞荷載分為三種形式:典型車輛、標準疲勞車、軸重。

我國學者對一些地區的交通量也做了調查分析,童樂為[3]等通過對上海城市橋梁的交通量統計調查,總結出6種典型車輛組成的車輛疲勞荷載譜;周泳濤[4]分別對不同地區的8條典型高速公路進行交通調查,得到適用于相應地區的車輛荷載模型。但采集車輛樣本數據太少、調查時間短及調查方法有一定的局限性。

目前國內對于裝配式梁橋橫向聯系損傷研究主要集中在損傷對橋梁整體結構受力性能的影響。對裝配式T梁橋橫向聯系疲勞損傷的研究還很少,相關影響規律與作用機理還不明確。

為此,本文選取某裝配式T梁橋,通過調查其所在路段車流量,建立符合本地區情況的疲勞荷載模型,并基于P-M準則建立疲勞評估流程,依托工程實例,通過隨機車流影響線加載法得到橫向聯系關鍵點部位鋼筋的應力譜,開展橫向聯系關鍵點部位的疲勞損傷研究。

1 車流量調查及建立疲勞荷載模型

1.1 車流量調查

本文采用人工觀測并結合有限的觀測設備對橋梁斷面進行24小時實時車流量觀測,得到車型、車間距、車道分布等信息。然后結合汽車車型手冊等資料[5]估計車重、軸距及軸重等參數,從而建立完整的交通量調查數據庫。

具體的實施步驟如下:

(1)前期準備:了解調查路段車輛類型,結合車輛分類標準進行分類,然后準備觀測設備、打印記錄表等。

(2)現場調查觀測:選取斷面進行24小時連續車流量觀測,記錄車型、車間距、車道分布等信息,將數據匯總。

(3)數據整理分析:選定代表車型,統計各車型比例、車道、車重及車間距分布,結合資料選定各代表車型軸距及軸重分配比例。

1.2 建立疲勞荷載模型

公路交通荷載具有較強的隨機性,其車型比例、車重及車間距等參數服從一定的概率分布[6]。基于數理統計理論及疲勞損傷等效原理將調查得到的車輛類型換算為7類代表車型,見表1。

當車輛在橋上行駛時,其橫向位置的不同會對橋梁的動力響應產生不同影響,因此有必要對車輛的車道分布進行統計。該橋單幅車道總寬度為10.25 m,布置為:超車道+行車道+應急車道。由于應急車道基本沒有車輛行駛,忽略其對車道統計的影響,在車流量調查過程中只考慮行車道和超車道。在連續24 h內共采集車輛數據22 480輛,各車型不同車道的分布占比如圖1所示。

圖1 各車型車道分配比例

表1 代表車型圖示及載重范圍

采用公路收費站的動態稱重系統獲得所有通過車輛車重。根據各種車輛出現頻率對車重進行加權平均,得到7種代表車型的車重。對各代表車型的車重分布進行分析,剔除異常值,確定分布類型進行參數估計,得到車重概率分布如表2。

表2 車重分布參數及K-S檢驗結果

根據規范規定,前后車時間間隔大于3 s時的車輛運行狀態為一般運行狀態,前后車時間間隔不超過3 s及處于擁堵狀態時為密集運行狀態。本文在調查車間距時發現此處出現擁堵狀態的概率近乎為零,只考慮一般運營狀態下的車間距分布特征,并擬合得到相應的概率密度函數,然后進行擬合優度檢驗,如表3。

表3 車間距分布參數及K-S檢驗結果

根據前述車型、車重及車間距參數估計結果,結合Monte Carlo法[7],利用Matlab軟件編寫程序進行隨機車流模擬。參考英國BS5400規范,忽略3噸以下車輛的影響,以剔除小汽車后的日均交通量模擬隨機車流,建立疲勞荷載模型如圖2。

圖2 隨機車流量模擬樣本圖

2 橋梁計算模型及疲勞損傷評估理論

2.1 橋例計算模型

本文以某裝配式T梁橋為算例,取其中一孔40 m作為研究對象,開展疲勞損傷分析。該橋采用分幅式設計,單幅寬度12.25 m,主梁片數5片,梁間距2.47 m,主梁高度2.5 m,預制梁長度39.52 m,橫向采用現澆濕接縫連接,如圖3。

圖3 跨中及支點截面布置

為精確反應車載作用下橋梁局部構件的動力響應,采用ANSYS建立全橋精細化有限元模型,如圖4。

圖4 橋梁有限元模型

2.2 疲勞損傷評估理論

本文采用各國規范中常用的基于S-N曲線及P-M準則的疲勞評估方法,主要針對濕接縫連接鋼筋的疲勞性能展開研究。根據Hanson[8]對接焊鋼筋疲勞強度的研究,受焊縫的影響其疲勞強度降低約1/3～1/2。本文選用鐵科院給出的接焊鋼筋的疲勞強度曲線,如式(1)。

(1)

目前,最常用的線性疲勞累積損傷理論不考慮不同應力幅的作用順序及平均應力的影響,疲勞應力彼此獨立且所產生的疲勞損傷互不相關,通過線性疊加原理對每次循環產生的疲勞損傷線性累加,當總的疲勞損傷值累加到某一臨界時,結構發生疲勞破壞,用疲勞損傷度D來表示,如式(2):

(2)

式中:ni為第i級應力幅下的實際應力循環次數;Ni為發生疲勞破壞時第i級應力幅下的應力循環次數;Di為第i級應力幅下的疲勞損傷累積值。

一般情況下,結構的疲勞累積損傷度臨界值Dcr=1。認為D<1時,結構未發生疲勞破壞;D≥1時,結構已發生疲勞破壞。

橋梁在車輛荷載作用下,主要承受變幅應力作用。因此,在車輛荷載作用下的應力歷程,通過雨流計數法整理得到一系列不同大小的應力幅,根據S-N曲線及P-M準則將其換算為等效應力幅,然后再進行疲勞損傷評估,等效應力幅換算如式(3)。

(3)

式中:Δσeq為等效應力幅;ni為實際應力幅對應的循環次數;m為S-N曲線的斜率。

因此,通過上述理論可推出橋梁結構的疲勞壽命Tr,如式(4):

(4)

式中:Tr為橋梁疲勞壽命估計值;Dy為橋梁一年內的疲勞累計損傷度;Dd為單日疲勞累計損傷度,由典型日交通量作用下得到。

3 隨機車載下橫向聯系疲勞損傷評定

3.1 橫向聯系關鍵點位置確定

在車輛作用下,全橋橫隔梁及橋面板濕接縫的動力響應和疲勞損傷情況存在差異,后續進行疲勞壽命評估時以橫向聯系薄弱部位為研究對象,因此首先要確定疲勞關鍵點部位。此處選用表1中給出的兩軸貨車作為疲勞車輛進行右側行車道加載。

該橋共有5片主梁和5道橫隔梁組成,為方便分析對全橋20處橫隔梁及16處橋面板濕接縫進行編號如圖5。

圖5 橫隔梁位置編號

在車輛加載下計算結果如圖6。由圖可知,當車輛作用于右側車道時,b-3#橫隔梁下緣中部及C-b#橋面板下緣中部的橫向應力較大,最大值出現在橋面板幾何中心下緣對應的受拉鋼筋上,約為14.772 MPa,后續對橫向聯系的疲勞損傷評價均以C-b#橋面板幾何中心下緣受拉鋼筋為對象。

圖6 單車道加載下橫向應力結果

3.2 關鍵點部位應力影響線

本文在提取關鍵點應力影響線時,采用集中單位力來模擬車輪的作用,分別施加于超車道與行車道,沿橋縱向共設置192個加載步,然后以目標位置處單元的節點數據定義變量,得到關鍵點處受拉鋼筋應力影響線豎標值。

通過上述計算方法得到的C-b#橋面板幾何中心下緣受拉鋼筋應力影響線見圖7。

圖7 關鍵點位置受拉鋼筋應力影響線

3.3 關鍵點部位鋼筋應力歷程分析

本節以前文模擬得到的典型日交通量為例,通過MATLAB編寫的影響線加載程序進行應力歷程分析,得到一個典型日內C-b#關鍵點鋼筋的應力歷程,截取前10000個加載步的應力歷程曲線如圖8。

圖8 C-b#關鍵點鋼筋應力歷程曲線

采用MATLAB編寫雨流計數法統計程序,對應力歷程進行統計,得到關鍵點處鋼筋應力幅及循環次數,如圖9。

圖9 C-b#關鍵點鋼筋應力幅

3.4 關鍵點部位鋼筋疲勞性能分析

由于T梁預制階段是按全預應力混凝土構件設計的,在車輛作用下主梁預應力鋼筋和混凝土的應力幅很小,疲勞損傷問題一般不會發生在主梁,而濕接縫作為連接主梁的薄弱部位,在運營期內常伴隨各種典型病害,例如滲水泛堿、破損露筋等。因此,濕接縫受力薄弱部位在車輛荷載反復作用下加之雨水等的侵蝕,會嚴重影響其疲勞壽命。

得到關鍵點鋼筋的應力幅之后,根據等效應力幅換算公式(3),得到關鍵點處鋼筋等效應力幅,假定橋梁在設計基準期內每年交通量不變,結合橋梁結構疲勞評估流程,求得C-b#關鍵點部位受力鋼筋的疲勞累計損傷度值及疲勞壽命,見表4。

表4 關鍵點部位鋼筋疲勞累計損傷度及疲勞壽命

由表可知,不考慮橋梁設計基準期內的交通量變化及其它外部環境因素等的影響下,C-b#關鍵點部位的受拉鋼筋的疲勞累積損傷度估算結果很小,計算得到的關鍵點部位鋼筋的疲勞壽命為98年。

4 結 論

本文結合實際橋例,對橋梁所在路段的車流量進行調查,形成適用于本橋的車輛疲勞荷載譜,然后建立裝配式T梁橋精細化有限元模型,采用自編的影響線加載程序及雨流計數法應力幅統計程序,開展隨機車流荷載作用下的橋梁局部構件的疲勞損傷評估,評估結果表明:橋梁結構關鍵點部位的鋼筋在不考慮任何外界因素影響下的疲勞壽命達到98年,因此可以認為裝配式T梁橋結構設計合理,在運營期間,做好日常管養工作,嚴格限制車輛超載超限并控制交通量在一定范圍內的情況下,橋梁在設計基準期內一般很難發生因疲勞引起的破環。