基于實(shí)測(cè)應(yīng)變的鋼橋面板疲勞壽命分析

吉伯海程 苗傅中秋袁周致遠(yuǎn)

(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京 210098)

基于實(shí)測(cè)應(yīng)變的鋼橋面板疲勞壽命分析

吉伯海,程 苗,傅中秋,袁周致遠(yuǎn)

(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京 210098)

為評(píng)估鋼橋面板的疲勞壽命,在某大橋鋼箱梁1/4跨截面的頂板與U肋連接焊縫處和橫隔板弧形缺口處布置應(yīng)力測(cè)點(diǎn),進(jìn)行24 h疲勞應(yīng)力監(jiān)測(cè)。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),利用雨流計(jì)數(shù)法計(jì)算得到疲勞應(yīng)力譜,并基于BS 5400規(guī)范對(duì)各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的疲勞損傷狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明:橫隔板弧形缺口周邊測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力水平相對(duì)較高;各應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)以低幅值應(yīng)力循環(huán)為主,其中應(yīng)力幅為2～10 MPa的循環(huán)次數(shù)占90%以上,但最大應(yīng)力幅值均超過(guò)了BS 5400規(guī)范規(guī)定的產(chǎn)生疲勞損傷的極限值。疲勞壽命分析表明,頂板與U肋縱向連接焊縫過(guò)焊孔處易產(chǎn)生靠近頂板部位的疲勞裂紋,橫隔板與U肋腹板連接焊縫的疲勞壽命較低。

鋼橋面板;實(shí)測(cè)應(yīng)變;疲勞應(yīng)力譜;疲勞壽命

鋼箱梁以其自重輕、抗扭強(qiáng)度高、抗風(fēng)性能好、制作施工便捷等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于大跨度橋梁上[1]。正交異性鋼橋面板是鋼箱梁的重要組成部分,由于長(zhǎng)期承受車輛交變荷載的作用,其局部構(gòu)造細(xì)節(jié)容易產(chǎn)生疲勞損傷,直接影響大橋的使用壽命和安全運(yùn)營(yíng)。以往獲取疲勞應(yīng)力譜的途徑是通過(guò)對(duì)正常運(yùn)營(yíng)橋梁上的交通量進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì),利用各類車型荷載參數(shù)建立車輛荷載譜,然后計(jì)算得到疲勞應(yīng)力譜[2-6]。但統(tǒng)計(jì)車輛荷載譜僅能反映大橋整體的車載特征,不能反映車輛在橋面上的真實(shí)行使軌跡,故局部應(yīng)力分析結(jié)果與真實(shí)情況存在一定差異。

近年來(lái),隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在大跨度橋梁上的廣泛應(yīng)用,利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到應(yīng)變時(shí)程曲線,再通過(guò)雨流計(jì)數(shù)法獲得疲勞應(yīng)力譜,使橋梁的疲勞損傷評(píng)估精確性有了進(jìn)一步提高[7-9]。但健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)代表的是橋梁整體運(yùn)營(yíng)狀況,不能精確反映焊縫周邊應(yīng)力幅變化情況,故有必要對(duì)焊縫的局部應(yīng)力進(jìn)行實(shí)測(cè),以獲取真實(shí)的疲勞應(yīng)力。實(shí)測(cè)應(yīng)變時(shí)程數(shù)據(jù)對(duì)比表明,應(yīng)變時(shí)程每24 h總體相似,具有大致相同的曲線形狀和循環(huán)次數(shù)[10-11]。因此,可以認(rèn)為橋梁實(shí)際發(fā)生的是一個(gè)應(yīng)變循環(huán)的不斷重復(fù),從而可利用這個(gè)應(yīng)變循環(huán)計(jì)算得到疲勞應(yīng)力譜,然后評(píng)估橋梁的疲勞損傷[12-14]。

筆者通過(guò)在某大橋鋼橋面板局部易疲勞構(gòu)造細(xì)節(jié)處布置應(yīng)力測(cè)點(diǎn),進(jìn)行24 h疲勞應(yīng)力監(jiān)測(cè),獲得較準(zhǔn)確的應(yīng)變時(shí)程曲線。對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,再利用雨流計(jì)數(shù)法計(jì)算得到疲勞應(yīng)力譜,最后基于Miner線性累積損傷準(zhǔn)則和S-N曲線估算各構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞壽命。

1 疲勞應(yīng)力測(cè)試

1.1 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)某大橋主梁整體振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果和實(shí)橋疲勞裂紋檢測(cè)結(jié)果,筆者選擇下游主梁1/4跨(靠近南塔)截面作為測(cè)試部位,如圖1所示。在此截面對(duì)重車道上頂板與U肋縱向連接焊縫過(guò)焊孔處(測(cè)點(diǎn)編號(hào)L-A-1、L-A-2、R-A-1、R-A-2)和橫隔板弧形缺口周邊(測(cè)點(diǎn)編號(hào)L-B-3、L-B-4、R-B-3、R-B-4)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試。

在過(guò)焊孔處的頂板和U肋上沿垂直于焊縫方向各粘貼1個(gè)應(yīng)變片;在橫隔板與U肋腹板連接焊縫處沿垂直于焊縫方向粘貼1個(gè)應(yīng)變片;在橫隔板弧形缺口有效截面最小處沿豎直方向粘貼1個(gè)應(yīng)變片。測(cè)點(diǎn)布置時(shí),綜合考慮了設(shè)備情況以及試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性和有效性,測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

1.2 動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)

2013年5月8—9日,在大橋正常通車運(yùn)營(yíng)情況下,對(duì)鋼橋面板局部構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行了疲勞應(yīng)力監(jiān)測(cè),使用INV303/306型智能信號(hào)采集儀連續(xù)采集24 h的動(dòng)態(tài)應(yīng)變,采樣頻率為50 Hz。

橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞損傷與應(yīng)力幅大小有關(guān),而應(yīng)力幅主要是由車輛荷載引起的。測(cè)試過(guò)程中,由于受到風(fēng)荷載、溫度荷載以及各種噪音的干擾,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)存在一定的誤差。為了保證實(shí)測(cè)結(jié)果的可靠性,利用DASP數(shù)據(jù)自動(dòng)采集處理系統(tǒng)軟件對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,提取代表車輛經(jīng)過(guò)時(shí)的應(yīng)變時(shí)程,減少各環(huán)境因素產(chǎn)生的影響。限于篇幅,本文僅列出位于U肋同一側(cè)L-A-1、L-A-2、L-B-3和L-B-4測(cè)點(diǎn)300 s的微應(yīng)變?chǔ)苔疟O(jiān)測(cè)結(jié)果,如圖3所示。

在一天監(jiān)測(cè)中,9:00～12:00和14:00～17:00這2個(gè)時(shí)段內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值比其他時(shí)間段大,表明這2個(gè)時(shí)段內(nèi)交通比較繁忙。從過(guò)焊孔處測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)程曲線來(lái)看,頂板與U肋縱向連接焊縫的應(yīng)變值大部分都在30με之內(nèi)。從橫隔板弧形缺口周邊測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)程曲線來(lái)看,此處的應(yīng)變水平相對(duì)較大。

2 疲勞應(yīng)力譜分析

將應(yīng)變時(shí)程數(shù)據(jù)乘以鋼的彈性模量便可以得到相應(yīng)的應(yīng)力時(shí)程數(shù)據(jù)。根據(jù)應(yīng)力時(shí)程曲線,僅看到某一時(shí)間區(qū)間內(nèi)結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力隨時(shí)間的變化趨勢(shì),無(wú)法知道各級(jí)應(yīng)力幅對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件作用的次數(shù),所以需要求得相應(yīng)的疲勞應(yīng)力譜。利用編制的雨流計(jì)數(shù)法程序,提取整個(gè)應(yīng)力時(shí)程中的應(yīng)力循環(huán),從而可得到疲勞應(yīng)力譜。

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),舍棄低于2.0 MPa的應(yīng)力循環(huán)對(duì)疲勞壽命的計(jì)算基本沒(méi)有影響,且舍棄低應(yīng)力循環(huán)可以縮減需要處理的數(shù)據(jù)量,所以本文的疲勞應(yīng)力譜中,低于2.0 MPa的應(yīng)力循環(huán)被舍棄[15]。另外,在疲勞應(yīng)力譜中,劃分應(yīng)力幅的區(qū)段長(zhǎng)度定為1.0 MPa。由于所得疲勞應(yīng)力譜中前幾級(jí)應(yīng)力幅循環(huán)次數(shù)相差較大,如果使用直方圖表示則不易觀察,故本文列出了 L-A-1、L-A-2、L-B-3和L-B-4測(cè)點(diǎn)的各級(jí)應(yīng)力幅循環(huán)次數(shù),見(jiàn)表1。

由表1可知,隨著應(yīng)力幅值的增大,相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)逐漸降低。應(yīng)力幅為2～10 MPa的循環(huán)次數(shù)占90%以上,說(shuō)明各測(cè)點(diǎn)大部分時(shí)間經(jīng)歷的都是低幅值應(yīng)力循環(huán)。BS 5400規(guī)范[16]指出,較大的應(yīng)力幅會(huì)使構(gòu)件的初始缺陷擴(kuò)大,從而降低疲勞極限值。隨著時(shí)間的增長(zhǎng),原來(lái)低于構(gòu)件疲勞極限值的應(yīng)力幅也會(huì)對(duì)損傷的累積產(chǎn)生作用。所以,對(duì)于低幅值的應(yīng)力循環(huán)也應(yīng)以一定方式予以考慮。

同時(shí),根據(jù)BS 5400規(guī)范[16]關(guān)于鋼橋焊接細(xì)節(jié)的疲勞等級(jí)分類可知,頂板與U肋縱向連接焊縫過(guò)焊孔處和橫隔板弧形缺口周邊處的最大應(yīng)力幅值都超過(guò)了該細(xì)節(jié)不發(fā)生疲勞損傷的極限值,在車輛荷載作用的累積下,此處會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

3 基于S-N曲線的疲勞壽命分析

3.1 計(jì)算公式

BS 5400規(guī)范[16]通過(guò)對(duì)大量構(gòu)件試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn),得到不同構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞壽命曲線。通過(guò)對(duì)疲勞試驗(yàn)獲得的大量數(shù)據(jù)(lgσr～lgN)進(jìn)行線性回歸統(tǒng)計(jì)分析,得到橋梁構(gòu)件在不同失效概率下疲勞壽命的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式:

式中:N——構(gòu)件在應(yīng)力幅σr作用下發(fā)生破壞所需要的次數(shù);m——lgσr～lgN均值線斜率的倒數(shù);K0——由統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果均值線決定的常數(shù)項(xiàng);Δ——lgN的標(biāo)準(zhǔn)差反對(duì)數(shù)的倒數(shù);d——概率因子。

3.2 疲勞壽命計(jì)算

為了評(píng)估各構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞壽命,首先要確定其所屬的疲勞等級(jí),并選取相對(duì)應(yīng)的S-N曲線。雖然各種規(guī)范都對(duì)鋼橋的不同構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行了分類,但不同規(guī)范對(duì)同一種構(gòu)造細(xì)節(jié)的S-N曲線規(guī)定相差較大。由于此橋在設(shè)計(jì)時(shí)疲勞驗(yàn)算參照的是BS 5400規(guī)范[16],故本文選用BS 5400規(guī)范[16]確定各構(gòu)造細(xì)節(jié)的S-N曲線。根據(jù)該規(guī)范對(duì)構(gòu)造細(xì)節(jié)的分類,頂板與U肋連接焊縫疲勞等級(jí)為W級(jí),橫隔板與U肋腹板連接焊縫疲勞等級(jí)為F2級(jí),橫隔板弧形缺口有效截面最小處的疲勞等級(jí)為B級(jí)。本文根據(jù)2.3%的失效概率對(duì)應(yīng)的S-N曲線計(jì)算各構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞壽命值,相應(yīng)疲勞壽命計(jì)算關(guān)系式中各參數(shù)值可查閱BS 5400規(guī)范[16]。

在載荷歷程中,結(jié)構(gòu)構(gòu)件所產(chǎn)生的應(yīng)力幅值有大有小,以往都是不考慮低于結(jié)構(gòu)構(gòu)件疲勞極限值的應(yīng)力幅,認(rèn)為它不能對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生疲勞損傷。但是,當(dāng)較大的應(yīng)力幅值使構(gòu)件的初始缺陷增大到一定程度時(shí),構(gòu)件的疲勞極限值會(huì)有所降低。因此,隨著時(shí)間增長(zhǎng),原來(lái)低于構(gòu)件疲勞極限值的應(yīng)力幅也會(huì)對(duì)損傷的累積產(chǎn)生作用。所以,對(duì)于低幅值的應(yīng)力循環(huán)也應(yīng)以一定方式予以考慮。根據(jù)BS 5400規(guī)范[16],對(duì)于低于疲勞極限值σ0的各個(gè)應(yīng)力幅σr的循環(huán)次數(shù),應(yīng)按(σr/σ0)2比例減少。

根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的疲勞應(yīng)力譜,可以計(jì)算得出相應(yīng)的疲勞壽命值,見(jiàn)表2。

從表2可以看出,位于L側(cè)A類測(cè)點(diǎn)的疲勞壽命明顯低于位于R側(cè)A類測(cè)點(diǎn)的疲勞壽命,這主要是因?yàn)長(zhǎng)側(cè)是重車道內(nèi)側(cè),車載作用主要集中在L側(cè)A類測(cè)點(diǎn)附近,從而在此處產(chǎn)生較大的應(yīng)力幅。同時(shí),L-A-1測(cè)點(diǎn)(頂板上)的疲勞壽命只有72 a,低于L-A-2測(cè)點(diǎn)(U肋上)的疲勞壽命,說(shuō)明頂板與U肋縱向連接焊縫過(guò)焊孔處易產(chǎn)生靠近頂板部位的疲勞裂紋。

在B類測(cè)點(diǎn)中,R-B-3測(cè)點(diǎn)的疲勞壽命出現(xiàn)異常,可能是由于此處的應(yīng)變片受到破壞造成的。R-B-4和L-B-3測(cè)點(diǎn)的疲勞壽命都相當(dāng)小,分別只有52 a和39a,這主要是因?yàn)樵谲囕d作用下U肋的變形受到橫隔板的約束,從而會(huì)在B類測(cè)點(diǎn)處產(chǎn)生很大的次彎曲應(yīng)力。同時(shí),橫隔板的豎向變形在B類測(cè)點(diǎn)處也會(huì)產(chǎn)生較大的面內(nèi)彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力。雖然從實(shí)橋檢測(cè)情況來(lái)看此處發(fā)生的疲勞裂紋不多,但也應(yīng)引起重視。

4 結(jié) 論

a.根據(jù)實(shí)測(cè)應(yīng)變時(shí)程曲線可知,橫隔板與U肋腹板連接焊縫處測(cè)點(diǎn)和橫隔板弧形缺口有效截面最小處測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變水平相對(duì)較高。

b.各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)主要以低幅值應(yīng)力循環(huán)為主,其中應(yīng)力幅為2～10 MPa的循環(huán)次數(shù)占90%以上,但最大應(yīng)力幅值均超過(guò)了BS 5400規(guī)范[16]規(guī)定的產(chǎn)生疲勞損傷的極限值,在車輛荷載的累積作用下會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

c.從疲勞壽命分析結(jié)果來(lái)看,頂板與U肋縱向連接焊縫過(guò)焊孔處易產(chǎn)生靠近頂板部位的疲勞裂紋。橫隔板弧形缺口周邊部分測(cè)點(diǎn)的疲勞壽命較低,也容易產(chǎn)生疲勞裂紋。雖然在實(shí)橋上產(chǎn)生于該部位的疲勞裂紋不多,但也應(yīng)引起重視。

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Fatigue life analysis of steel bridge deck based on measured strain

JI Bohai,CHENG Miao,FU Zhongqiu,YUAN-ZHOU Zhiyuan
(College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

In order to evaluate the fatigue life of a steel bridge deck,stress measuring points were set near the weld of the roof connected to the U-rib and the arc-shaped notch of the diaphragm plate across a quarter of a bridge's steel box girder,and the fatigue stress was monitored for 24 hours.According to the measured data,the fatigue stress spectra were calculated with the rain-flow counting method.Based on the BS 5400 specification,the fatigue damage state of the stress measuring points was evaluated.The results show that the stress level of the measuring points near the arc-shaped notch of the diaphragm plate was relatively high.Each stress measuring point was mainly a low-rising stress cycle and the cycles of 2 to 10 Mpa stress amplitude accounted for more than 90%.However, the maximum stress amplitude exceeded the limit of fatigue damage stipulated by the BS 5400 specification.Fatigue life analysis shows that fatigue cracks in the weld of the roof connected to the U-rib easily occurred near the roof area at the welding hole,and the fatigue life of the weld of the diaphragm plate connected to the U-rib's web was short.

steel bridge deck;measured strain;fatigue stress spectra;fatigue life

U448.25

:A

:1000-1980(2014)05-0422-05

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.05.009

2013-09 25

江蘇省交通科學(xué)研究計(jì)劃(2012Y13)

吉伯海(1966—),男,江蘇揚(yáng)州人,教授,博士,主要從事鋼橋疲勞與維護(hù)研究。E-mail:hhbhji@163.com