大跨懸索橋索梁錨固區(qū)疲勞養(yǎng)護概率優(yōu)化方法

摘要：合理的橋梁養(yǎng)護規(guī)劃應在養(yǎng)護費用與失效風險之間找到一個合理的平衡。將養(yǎng)護費用分為檢測費用，維修費用與失效費用，將線彈性斷裂力學、結(jié)構(gòu)可靠度理論、全壽命成本分析法結(jié)合起來，提出了基于全壽命周期成本的焊接構(gòu)件疲勞養(yǎng)護概率優(yōu)化的方法?？紤]了檢測概率、養(yǎng)護決策者的維修意愿、維修措施概率和失效概率等多種因素，把橋梁養(yǎng)護優(yōu)化問題變?yōu)樵诤附咏Y(jié)構(gòu)或構(gòu)件滿足在生命周期內(nèi)最小允許可靠度的基礎(chǔ)下，養(yǎng)護總費用最小的問題，并提出了簡化計算方法。以青草背長江大橋索梁錨固區(qū)的關(guān)鍵疲勞細節(jié)養(yǎng)護為例，研究了主要參數(shù)對最優(yōu)檢測時刻的影響，研究結(jié)果表明，考慮了失效成本后，最優(yōu)疲勞養(yǎng)護時刻提前，折現(xiàn)率對養(yǎng)護費用影響明顯。當車輛荷載逐年增加時，索梁錨固區(qū)在設(shè)計基準期內(nèi)疲勞破壞風險增大，應引起足夠的重視。

關(guān)鍵詞：線彈性斷裂力學；可靠度；索梁錨固區(qū)；維修策略；疲勞；折現(xiàn)率；概率優(yōu)化

中圖分類號：U448

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2014）02002107

Abstract：it is necessary to balance the failure risk and the maintenance expensive. A methodology for reliability based maintenance optimization of steel bridge welded joints subjected to fatigue is proposed considering linear elastic fracture mechanics （LEFM）， the structure reliability， life cycle cost method and maintenance strategies. The maintenance cost is divided into inspection， repair and failure sections according to the whole life cycle cost methodology. And the maintenance strategy is transformed to the minimum expected lifetime costs with a constraint of the minimum acceptable reliability index. An case concerning to a transverse stiffener of bottom flange welded joint of Qingcaobei bridge is studied with a certain number of simplifications. Some sensitivity analysis is provided. Among all the parameters， discount rate is the most remarkable.

Key words：LEFM； reliability； cablegirder welded anchorage zones； maintenance strategy； fatigue； interest rate； probabilistic optimization

懸索橋吊桿（索）與加勁梁之間的錨固區(qū)（通常稱為索梁錨固區(qū)）是主纜和加勁梁之間的傳力構(gòu)件，是控制加勁梁設(shè)計的重要部位。索梁錨固區(qū)結(jié)構(gòu)復雜，應力集中，吊桿（索）索力由它傳給主梁，其力學性能直接關(guān)系全橋的安全[13]。在風與車輛等反復荷載作用下，易發(fā)生疲勞破壞。隨著中國交通運輸業(yè)的迅速發(fā)展，交通流量不斷增加[4]，索梁錨固區(qū)更易發(fā)生疲勞破壞。

許多大跨度懸索橋修建時對吊索在鋼主梁上錨固區(qū)域的疲勞性能進行了疲勞試驗研究[13，5]。但這些研究大都集中在索梁錨固系統(tǒng)的受力分析與疲勞性能評估，對其養(yǎng)護評估涉及較少。本文基于全壽命養(yǎng)護方法[6]，把橋梁的養(yǎng)護費用分為檢測費用、維修費用與失效費用，其中檢測費用和維修費用為實際費用，失效費用為風險費用，將線彈性斷裂力學（LEFM）、結(jié)構(gòu)可靠度理論、全壽命成本分析法用于焊接鋼橋的養(yǎng)護策略，提出了疲勞養(yǎng)護概率優(yōu)化的方法，以輔助焊接鋼橋構(gòu)件養(yǎng)護決策；通過優(yōu)化維修時間間隔實現(xiàn)最優(yōu)的維修費用，并用于懸索橋的索梁錨固系統(tǒng)的疲勞維修示例中。

1基于LEFM的疲勞壽命可靠性評估

在反復荷載作用下，鋼構(gòu)件會出現(xiàn)裂紋，且在荷載作用下不斷擴展，易導致疲勞失效[7]。疲勞裂紋擴展的影響因素往往都是隨機的，鋼構(gòu)件的疲勞壽命往往具有較大的隨機性，因此其疲勞壽命可靠性評估一般采用概率分析的方法[8]。

3.4交通量對疲勞可靠度的影響

隨著社會經(jīng)濟水平的不斷發(fā)展，汽車保有量逐年增長，橋梁承受的交通荷載也會不斷地增長，橋梁結(jié)構(gòu)焊接細節(jié)所承受的疲勞荷載效應也會持續(xù)地增長。在計算服役期內(nèi)焊接細節(jié)的疲勞可靠度時，須將計入疲勞荷載效應的增長。通過蒙特卡洛法模擬計算式（11），則索梁錨固區(qū)焊接細節(jié)的疲勞可靠度如圖7所示。

3.5車輛載重變化對疲勞可靠度的影響

4結(jié)論

1）將養(yǎng)護費用分為檢測費用，維修費用與失效費用，其中檢測與維修費用是實際發(fā)生的費用，而失效費用屬于風險效應成本，表示疲勞失效可能造成的損失。提出了鋼橋焊接構(gòu)件的疲勞養(yǎng)護優(yōu)化方法，將養(yǎng)護優(yōu)化問題變?yōu)樵跇?gòu)件滿足最小允許可靠度的總費用最小的問題。該方法考慮了平均應力、決策者的維修意愿概率和費用成本等多種因素，使分析疲勞養(yǎng)護優(yōu)化更接近工程實際。

2）在忽略次要因素的基礎(chǔ)上，對該疲勞養(yǎng)護優(yōu)化方法進行了簡化，該簡化方法簡單實用，可操作性強，適用面廣。

3）以青草背大橋的主梁的耳板式索梁錨固區(qū)的疲勞養(yǎng)護為例，在簡化次要參數(shù)的基礎(chǔ)上分析了檢測費用、維修費用、失效費用以及折現(xiàn)率等主要參數(shù)對最優(yōu)檢測時刻的影響。

4）結(jié)構(gòu)的可靠度隨交通量增長而下降，疲勞養(yǎng)護時刻相應提前。索梁錨固區(qū)的焊接細節(jié)的疲勞破壞風險隨車輛荷載逐年增加而增大，應引起足夠的重視。限于篇幅，本文只列舉了索梁錨固區(qū)疲勞焊接一個細節(jié)的養(yǎng)護策略，并未列出其他疲勞細節(jié)。多疲勞細節(jié)的疲勞養(yǎng)護優(yōu)化是今后的研究方向。

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（編輯胡玲）