車輛超載對大跨徑斜拉橋拉索疲勞損傷的影響分析

楊廣庭

（中交遠(yuǎn)洲工程咨詢有限公司，石家莊050035）

1 引言

斜拉橋作為一種拉索體系，是大跨度橋梁的主要橋型，斜拉索是斜拉橋的關(guān)鍵受力構(gòu)件，承載著橋梁上部結(jié)構(gòu)傳遞來的恒載及活載，斜拉索的安全性與耐久性直接影響著橋梁的安全運(yùn)營。本文以某斜拉橋大橋為模擬計算依據(jù)，根據(jù)實際運(yùn)營中車輛的車型和載重量，對其不同超載率下產(chǎn)生的拉索疲勞損傷進(jìn)行計算分析。

2 模型建立與斜拉索壽命計算

2.1 模型簡介

橋梁的上部結(jié)構(gòu)的主梁、索塔，下部結(jié)構(gòu)基樁、承臺、墩柱以及蓋梁均采用梁單元進(jìn)行模擬，用桁架單元模擬斜拉索。采用梁單元及彈性連接模擬與索錨固點(diǎn)對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)模擬。橫梁與主梁的連接采用彈性連接后與主塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，支座布置形式及類型參照施工設(shè)計圖。主梁與蓋梁采用彈性連接模擬支座，通過蓋梁連接橋墩與主梁。詳細(xì)計算模型如圖1 所示。

圖1 大跨徑斜柱橋計算模型

2.2 斜拉索的疲勞壽命計算

1）為獲取拉索的應(yīng)力譜，車輛荷載作用下的斜拉索應(yīng)力時程數(shù)據(jù)利用雨流計數(shù)法對得到的進(jìn)行分析處理。

2）首先提取循環(huán)數(shù)（對散波的半循環(huán)雨流、整循環(huán)雨流進(jìn)行計數(shù)），然后合并半循環(huán)中的循環(huán)，從而計算出斜拉索應(yīng)力的幅值、幅數(shù)和平均值，并按大小對幅值進(jìn)行排序。

3）變幅應(yīng)力由雨流循環(huán)計數(shù)計算，利用Miner 疲勞累積損傷準(zhǔn)則將計算出的應(yīng)力幅等效換算為等幅應(yīng)力，公式為：

式中，Δσ0為等幅應(yīng)力；Δσi為第 i 級應(yīng)力水平的應(yīng)力值；ni為第i 級應(yīng)力水平的循環(huán)次數(shù)；m 為Paris 疲勞裂紋擴(kuò)展模型的指數(shù)。再運(yùn)用S-N（應(yīng)力-壽命）曲線對應(yīng)力幅進(jìn)行疲勞壽命計算。接著采用線性疲勞累積損傷Miner 理論計算斜拉索的疲勞損傷度，利用可靠度公式對斜拉索的疲勞可靠度和失效概率進(jìn)行計算。

疲勞可靠度和損傷度的計算步驟同上。

應(yīng)力幅對拉索的疲勞損傷影響比平均應(yīng)力更大。應(yīng)力幅最大的長索疲勞壽命最短，即斜拉索應(yīng)力幅增大，疲勞損傷也隨之增加，疲勞壽命則隨之遞減。

3 超載車輛對斜拉索疲勞損傷的影響

由以上分析可以看出，影響斜拉索壽命的首要因素是應(yīng)力幅，應(yīng)力幅幅值越大，斜拉索的疲勞壽命降低越多，應(yīng)力幅的大小與斜拉索疲勞壽命的長短呈現(xiàn)反比關(guān)系。（1）通過橋上交通量的實際調(diào)查，可以歸納出具有典型代表意義的車重。（2）利用雨流記

數(shù)法計算Midas Civil 軟件建立的模型中車輛荷載產(chǎn)生的斜拉索應(yīng)力譜；（3）計算車輛荷載周期性重復(fù)經(jīng)過橋梁時斜拉索的疲勞損傷值。

橋梁實際運(yùn)營時的通行荷載的類型、大小、速度等因素都是難以預(yù)測的，本次計算利用MATLAB 生成的隨機(jī)車流來最大限度地模擬實際車流，計算模擬車流作用下橋梁的實際工作狀態(tài)。

3.1 典型車輛荷載對斜拉索疲勞程度的影響

利用具有典型代表性的車輛荷載在橋上行駛時橋梁的受力狀況進(jìn)行計算模擬，假定車輛速度為60 km/h，間距設(shè)定為50 m，車輛的節(jié)點(diǎn)動力荷載采用時程分析的步驟進(jìn)行模擬。

通過分析不同類型車輛產(chǎn)生的最大應(yīng)力、最小應(yīng)力和應(yīng)力幅可以看出，荷載的增大可導(dǎo)致斜拉索的應(yīng)力幅值明顯增大。

利用疲勞損傷理論，對不同荷載作用下斜拉索的疲勞損傷情況進(jìn)行計算，隨著車輛荷載的增大，斜拉索的損傷程度呈非線性增長，不同荷載導(dǎo)致的斜拉索的疲勞損傷也不同。

3.2 不同車輛荷載作用下拉索的受力分析

將MATLAB 模擬生成的隨機(jī)車流加載到已建立的有限元模型上，計算得出各工況下拉索的應(yīng)力幅，通過與設(shè)計荷載下的應(yīng)力幅值對比。

斜拉索在隨機(jī)車流荷載作用下的應(yīng)力幅均大于設(shè)計活載作用下的應(yīng)力幅值。大部分拉索的可靠指標(biāo)都有數(shù)值不大的降低，可以推斷出此種工況下橋梁的工作狀態(tài)是超出設(shè)計預(yù)期的。

3.3 隨機(jī)車輛荷載作用下拉索的疲勞壽命

對不同車輛荷載作用下斜拉索的應(yīng)力時程數(shù)據(jù)采用疲勞壽命的計算方法進(jìn)行分析，可計算出斜拉索的疲勞可靠度和損傷等結(jié)果。

該橋荷載設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為城-A 級，根據(jù)CJJ 11—2011《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》，車輛荷載總重為700 kN（70 t），如果把模擬的重型超載車替換為符合設(shè)計荷載要求的標(biāo)準(zhǔn)車（70 t）后，再進(jìn)行模擬計算時拉索的疲勞損傷結(jié)果與超載車輛產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行比對分析，詳見表1。

表1 斜拉索在有無超載車輛的隨機(jī)車流作用下的疲勞指標(biāo)

由上表可以看出，如果將超載車替換為符合設(shè)計荷載要求的車輛后，斜拉索的疲勞損傷程度可減小到原來的1/3，達(dá)到疲勞壽命時，可通過車輛的數(shù)目相比之前提高了10.21 億輛，此時橋梁的耐久性大大超越了橋梁的設(shè)計壽命。由此可以推斷橋梁的疲勞損傷主要是由于超載車輛導(dǎo)致的，可見橋梁的使用壽命受超載車輛的影響很大。

4 結(jié)論

通過本文的建模分析，可以得到如下結(jié)論：

1）橋梁斜拉索的疲勞壽命受超載車輛的影響很大，車輛荷載（特別是超載車輛）是影響斜拉索疲勞損傷的主要因素；

2）橋梁運(yùn)營荷載的超載率越大，斜拉索的疲勞損傷越快；

3）通過對隨機(jī)狀態(tài)下的車輛荷載進(jìn)行分析，有超載車輛的車流對斜拉索產(chǎn)生的損傷是沒有超載車輛的300%，由此推斷斜拉索的疲勞損傷主要是由超載車輛造成的。