基于隨機(jī)荷載的引水隧洞交通鋼橋疲勞荷載計(jì)算研究

王曉文

(遼寧江河水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司， 遼寧 東港 118300)

0 前 言

引水隧洞交通鋼橋疲勞荷載是其穩(wěn)定性計(jì)算的難點(diǎn)和重點(diǎn)，其疲勞荷載的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)于引水隧洞設(shè)計(jì)安全穩(wěn)定至關(guān)重要[1]。當(dāng)前，對(duì)于引水隧洞交通鋼橋的疲勞荷載研究取得一定成果[2-8],但大都從原型試驗(yàn)的方式對(duì)其疲勞荷載進(jìn)行分析，對(duì)于大型工程，這種方式具有較好的適用性，但對(duì)于工程造價(jià)較低的引水隧洞而言，這種方式需要的造價(jià)較高，適用性不高。近些年來，一種基于隨機(jī)荷載的計(jì)算方法在一些橋梁疲勞荷載分析中得到應(yīng)用[9-15]，但在水利工程上應(yīng)用還較少，為探討該方法的適用性，文章以某引水隧洞為具體工程實(shí)例，采用隨機(jī)荷載方法對(duì)其交通鋼橋的疲勞荷載進(jìn)行計(jì)算，從而探討該方法的適用性。研究成果對(duì)于其他水利工程疲勞荷載計(jì)算具有參考價(jià)值。

1 隨機(jī)荷載計(jì)算方法

隨機(jī)荷載計(jì)算方法主要通過建立變量隨機(jī)分布概率來計(jì)算，計(jì)算方程為：

(1)

式中：π為檢驗(yàn)水平；x、α分別表隨機(jī)荷載值；l為隨機(jī)荷載上限。隨機(jī)荷載方法對(duì)其斷裂臨界點(diǎn)的疲勞因子進(jìn)行計(jì)算：

da/dN=C[(△K)m-(△Kth)m]

(2)

疲勞穩(wěn)定以及加速階段的疲勞因子計(jì)算方程分別為：

da/dN=C(△K)m

(3)

(4)

式中：△K為強(qiáng)度因子；α為剛體斷裂長(zhǎng)度，mm；N為隨機(jī)荷載次數(shù)；da/dN為斷裂深度，mm；C、m為環(huán)境系數(shù)；R為結(jié)構(gòu)系數(shù)；KC為強(qiáng)度指數(shù)；Kth為最小強(qiáng)度指數(shù)。其裂紋擴(kuò)展度計(jì)算公式為：

a=a0+(af-a0)(n/Nf)af

(5)

式中：Nf為應(yīng)力破壞次數(shù)；σ為應(yīng)力變幅；Nf為荷載破壞次數(shù)；a0為裂紋初始深度，mm；af為斷裂初始深度，mm；n為總荷載次數(shù)。af的計(jì)算方程為：

(6)

2 工程實(shí)例

引水隧洞工程交通鋼橋的總寬度為6m，為正交型橋梁結(jié)構(gòu)，上部應(yīng)力鋼板跨度為16m,采用樁徑為1.2m的單排樁作為其橋臺(tái)的基礎(chǔ)樁。采用隨機(jī)荷載的方式對(duì)該鋼橋整體結(jié)構(gòu)的疲勞荷載進(jìn)行計(jì)算。

2.1 拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合隨機(jī)荷載計(jì)算方法對(duì)不同鋼筋條件下的鋼橋進(jìn)行拉伸量進(jìn)行計(jì)算，邊板不同鋼筋條件下的拉伸量計(jì)算對(duì)比結(jié)果，見表1；中板不同鋼筋條件下的拉伸量計(jì)算對(duì)比結(jié)果，見表2。

從計(jì)算結(jié)果可看出，不同鋼筋條件下兩種類型鋼板下計(jì)算值和實(shí)際拉伸值的計(jì)算誤差均低于5%，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。不同鋼板類型下其拉伸值隨著鋼筋比例的提高而逐步增加，邊板拉伸變幅總體低于中板的拉伸變幅，由于正交鋼板技術(shù)影響使得中板的拉伸強(qiáng)度高于邊板的拉伸強(qiáng)度。

2.2 疲勞荷載曲線計(jì)算

結(jié)合隨機(jī)荷載計(jì)算方法對(duì)引水隧道交通鋼橋中板和邊板的疲勞荷載曲線進(jìn)行計(jì)算，引水隧洞交通鋼橋邊板疲勞荷載曲線計(jì)算結(jié)果，見表3；引水隧洞交通鋼橋中板疲勞荷載曲線計(jì)算結(jié)果，見表4。

表1 邊板不同鋼筋條件下的拉伸量計(jì)算對(duì)比結(jié)果

表2 中板不同鋼筋條件下的拉伸量計(jì)算對(duì)比結(jié)果

表3 引水隧洞交通鋼橋邊板疲勞荷載曲線計(jì)算結(jié)果

表4 引水隧洞交通鋼橋中板疲勞荷載曲線計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果可看出，引水隧洞交通鋼橋的中板和邊板隨著荷載次數(shù)的增加其疲勞強(qiáng)度逐步提高，當(dāng)循環(huán)荷載次數(shù)從1000次提高到600000000次后，其鋼板疲勞度達(dá)到最高，處于斷裂臨界點(diǎn)，鋼橋中板疲勞強(qiáng)度變幅總體低于邊板，但循環(huán)荷載次數(shù)達(dá)到最大值，其應(yīng)力變幅高于邊板。

2.3 常規(guī)荷載條件下鋼橋疲勞荷載計(jì)算

在常規(guī)荷載條件下，對(duì)引水隧洞鋼橋總體結(jié)構(gòu)和正交異性疲勞荷載進(jìn)行計(jì)算，引水隧洞鋼橋總體結(jié)構(gòu)疲勞荷載計(jì)算結(jié)果，見表5；引水隧洞鋼橋正交異性鋼板疲勞荷載計(jì)算結(jié)果，見表6。

表5 引水隧洞鋼橋總體結(jié)構(gòu)疲勞荷載計(jì)算結(jié)果

表6 引水隧洞鋼橋正交異性鋼板疲勞荷載計(jì)算結(jié)果

從引水隧洞交通鋼橋總體結(jié)構(gòu)和正交異性鋼板疲勞荷載計(jì)算結(jié)果可看出，鋼橋腹板焊接疲勞極限次數(shù)可到39次，在總體結(jié)構(gòu)中具有最高疲勞強(qiáng)度，相比于其他結(jié)構(gòu)更易出現(xiàn)疲勞斷裂，因此需要對(duì)引水隧洞鋼橋腹板連接處進(jìn)行加固。從不同方法疲勞荷載計(jì)算對(duì)比結(jié)果可看出，相比于傳統(tǒng)方法，新方法可采用隨機(jī)荷載計(jì)算方法，可提高引水隧洞交通鋼橋疲勞荷載的計(jì)算精度。

3 結(jié) 論

1)不同鋼板類型下其拉伸值隨著鋼筋比例的提高而逐步增加，邊板拉伸變幅總體低于中板的拉伸變幅，由于正交鋼板技術(shù)影響使得中板的拉伸強(qiáng)度高于邊板的拉伸強(qiáng)度。

2引水隧洞交通鋼橋的中板和邊板隨著荷載次數(shù)的增加其疲勞強(qiáng)度逐步提高,鋼橋中板疲勞強(qiáng)度變幅總體低于邊板，但循環(huán)荷載次數(shù)達(dá)到最大值，其應(yīng)力變幅高于邊板。

3)從不同方法疲勞荷載計(jì)算對(duì)比結(jié)果可看出，相比于傳統(tǒng)方法，新方法可采用隨機(jī)荷載計(jì)算方法，可提高引水隧洞交通鋼橋疲勞荷載的計(jì)算精度。