基于多尺度建模的重載交通公路橋梁疲勞壽命預測方法

摘要：為了保證公路橋梁運營的穩定性，應用多尺度建模技術，設計一種重載交通公路橋梁的疲勞壽命預測方法。構建公路橋梁的多尺度有限元模型，確定重載交通公路橋梁的車輛疲勞荷載譜，分析多尺度重載車輛隨機過程，利用Miner疲勞損傷準則，實現重載交通公路橋梁的疲勞壽命預測。仿真試驗結果顯示：多尺度建模技術得到的公路橋梁節點的荷載應變曲線，與實際的曲線貼合度極高，表明多尺度有限元模型，可以精準地反映公路橋梁構件之間的力學性能。在不同疲勞加載次數下，對公路橋梁的疲勞預測結果的最大誤差為9.2%，低于10%，表明預測方法具有精準性與可行性。

關鍵詞：公路橋梁壽命；重載交通公路橋梁；多尺度建模；疲勞壽命預測方法

0" "引言

重載交通是交通運輸產業中，較為常見的一種運輸方式[1-2]。當重載交通工具，在公路橋梁上不斷通行的過程中，會對公路橋梁，造成不同程度的影響與損害，甚至會造成公路橋梁相關構件的破損、斷裂，導致公路橋梁的承載性能不斷下降，不利于公路橋梁的安全、穩定運營[3-4]。

多尺度建模技術，是一種以多目標分析、多層次分析為原則，在同一個模型中，應用不同尺度的有限元模擬建模方法[5-6]。本文通過研究多尺度建模技術，設計了一種重載交通公路橋梁的疲勞壽命的預測方法，希望可以為公路橋梁的使用壽命，提供一種精準的預測方法，從而為相關建設單位對公路橋梁的整改、維修，奠定基礎，以此來提高公路橋梁在運營過程中的安全與可靠性，促進公路橋梁等建設領域的循環、可持續發展。

1" "構建橋梁的多尺度有限元模型

公路橋梁不同構件之間具有不同的自由度，傳統的模型無法實現特征與荷載的完全傳遞，會降低模型的精準程度[7]。現采用多尺度界面的連接方法，以公路橋梁不同構件之間的協調度為原則，建立橋梁結構單元，與實體單元之間的連接關系，為公路橋梁的疲勞壽命預測，提供精確科學的橋梁模型。公路橋梁多尺度模型的耦合過程如圖1所示。

由圖1可知，公路橋梁的多尺度建模，是不同尺度面的精細建模以及纖維建模的集成化結果。根據圖1所示的公路橋梁模型的耦合方法，在多尺度連接面上，構建公路橋梁的多尺度有限元模型，連接公路橋梁不同尺度層面，實現不同尺度單元之間的荷載傳遞以及變形協調。

在建模過程中，對于公路橋梁中非連接部位的橋柱、橋梁，普通建模[8]。根據橋梁與橋墩、橋墩與樁基之間的連接部分的基本特征，進行多尺度的精細建模。第一尺度，主要是對橋梁與橋墩實體單元的連接部分的建模；第二尺度，對橋梁與橋墩結構的塑性結構部分建模；第三尺度，對橋梁與樁基礎之間的連接部分建模。

三個尺度的連接原理是一致的，現以橋梁與橋墩實體單元的連接建模為例進行說明。利用MPC多點約束方法，進行耦合計算，該過程表示為：

2" "基于多尺度建模的公路橋梁疲勞壽命預測方法

2.1" " 確定公路橋梁重載車輛疲勞荷載譜

重載交通在公路橋梁通行過程中，橋梁承受著不同車輛荷載作用，逐漸引起橋梁內部結構疲勞（即橋梁結構穩定性一種失效模式）。在公路橋梁壽命預測中，最核心的部分，是對重載交通的通行量，以及車輛質量占比等隨機過程的定性、定量計算。

為了對公路橋梁進行有效的壽命預測，在公路橋梁多尺度有限元模型基礎上，構建重載交通車輛荷載的隨機過程模型。確定公路橋梁通行重載交通的等效軸重，以及等效軸距，計算可表示為：

將上述公式計算得到的車輛的軸距、軸重簡化為整數，記錄對應車輛的質量，以及通行車輛占比，構成重載交通公路橋梁的，疲勞車輛荷載譜，為公路橋梁的重載車輛通行規律的分析，提供理論依據。

2.2" " 分析多尺度重載車輛隨機過程

2.3" " 基于疲勞損傷準則的疲勞壽命預測

針對公路橋梁的運營模式，可以得出橋梁的疲勞損傷。其是由一種循環往復的荷載作用，引起橋梁構件性能逐漸失效的過程。現引入疲勞剩余承載力的概念，采用Miner疲勞損傷準則，進行橋梁疲勞壽命的預測。在多尺度的公路橋梁模型的基礎上，計算公路橋梁結構的疲勞剩余承載力，具體可表示為Q（σ）：

在多尺度公路橋梁模型基礎上，將上述對橋梁公路疲勞壽命的計算，與多特征重載車輛的隨機過程相結合，得到公路橋梁的壽命預測方法。預測可為相關建設單位對公路橋梁的整改加固提供依據。

3" "試驗與檢測

為檢測預測方法的可行性，以Windows系統為基礎，將MySQL數據庫，作為試驗數據的來源結構，采用ncode軟件，進行疲勞壽命分析。

在本文研究的公路橋梁疲勞壽命預測方法中，最核心的部分是應用多尺度建模技術，建立的有限元模型。為了驗證方法的可行性與精準性，對多尺度模型的科學性進行檢驗。

在上述試驗準備搭建平臺中，隨機選取一組公路橋梁參數，分別應用本文建立的公路橋梁的多尺度有限元模型、公路橋梁精細模型，以及公路橋梁的傳統模型，對試驗對象隨機一處節點的荷載值進行計算，得到不同建模方法下公路橋梁節點荷載-應變結果，將其與實際的試驗結果進行對比。公路橋梁節點的荷載-應變曲線對比如圖2所示。

由圖2可知，3種建模技術得到的公路橋梁兩節點的荷載應變曲線，與實際的曲線的變化趨勢整體較為一致。其中，由多尺度建模的有限元模型的分析結果，與實際結果的貼合度最高，表明本文的多尺度有限元模型，可以更加精準的反應公路橋梁構件之間的力學性能，具有科學性與精準性，為后續的疲勞壽命預測奠定了良好的基礎。

之后檢測公路疲勞壽命預測方法的合理性與精準性。與上述試驗條件一致，隨機選取公路橋梁的一個節點，設重載交通數量為7200萬輛，應用設計的疲勞壽命預測方法，記錄不同疲勞加載次數下的壽命預測結果，與實際的計算結果進行對比，得到的誤差結果如圖3所示。

由圖3可知，在不同疲勞加載次數下，本文方法對公路橋梁的疲勞預測結果的最大誤差為9.2%，低于10%。該結果在重載交通公路橋梁，疲勞壽命預測精度范圍內，表明本文設計的疲勞壽命預測方法，具有科學性與可行性，為公路橋梁的安全穩定運營提供了有效的預測技術支持。

4" "結語

在社會生產力的飛速發展中，交通運輸產業也在不斷地進步。作為交通運輸產業的重要部分，重載運輸的安全、穩定性，是其發展的基本原則。為了保證重載交通運輸的可靠性，本文設計的重載交通通行公路的疲勞壽命預測方法，可為公路維修提供精準的依據。

參考文獻

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