辽河大桥钢箱梁疲劳应力特性

苟红兵,胡铁明,张冠华,于传君

(1.辽宁大通公路工程有限公司,辽宁 沈阳 110111;2.沈阳大学 辽宁省环境岩土工程重点实验室,辽宁 沈阳 110044;3.公路桥梁诊治技术交通运输行业研发中心,辽宁 沈阳 110166)

辽河大桥钢箱梁疲劳应力特性

苟红兵1,3,胡铁明2,张冠华3,于传君3

(1.辽宁大通公路工程有限公司,辽宁 沈阳 110111;2.沈阳大学 辽宁省环境岩土工程重点实验室,辽宁 沈阳 110044;3.公路桥梁诊治技术交通运输行业研发中心,辽宁 沈阳 110166)

为了对寒冷环境下钢箱梁的疲劳寿命进行研究,以辽河大桥为依托工程,对为期12个月的应力监测数据进行分析.运用小波包分解法对应力数据进行了滤波与重构,重构后的应力通过雨流计数法处理得到“季度应力谱”,将“季度应力谱”结合miner线性累积损伤准则和BS5400规范中的各个连接部位疲劳强度曲线,对辽河大桥不同种类的节点处进行了疲劳评估.评估结果为:横隔板与U肋下缘连接处损伤度最大,顶板与U肋纵向焊接连接处次之,底板与U肋纵向焊接连接处最小,表明横隔板与U肋连接处需要加强养护.

桥梁工程; 季度应力谱; 钢箱梁; 疲劳损伤; 雨流计法

运营状态下的钢箱梁斜拉桥在长期的服役过程中,承受的外载荷有车辆载荷、温度载荷、风载荷等,且由于一般大桥处于海上或者河口,所在处的风载荷较大,昼夜温差变化大,加上车辆载荷的作用使斜拉桥的钢箱梁更加容易疲劳.为了准确评价钢箱梁桥的箱梁疲劳损伤状态和剩余疲劳寿命,国内外学者开展了大量的研究[1-4].余波、邱洪兴等对江阴长江大桥为期5天的应力进行分析得到了其标准日应力谱,并对该桥作出了疲劳寿命评估[5].王莹、吴佰建等对润扬大桥悬索桥和斜拉桥进行了为期半年的样本考察,统计了此时间段斜拉桥与悬索桥的损伤量,并进行了对比分析[6].邓杨、丁幼亮等对润扬大桥悬索桥和斜拉桥钢箱梁顶板建立了疲劳可靠度方程,重点研究了疲劳载荷增长对可靠度的影响[7].程苗、吉伯海等将模糊综合评价法应用在钢箱梁疲劳裂纹安全性等级评价上,建立了疲劳裂纹评价数学模型,并划分了相应的评价等级标准[8].

本文中,作者以辽河特大桥为实际依托工程,运用matlab软件和雨流计法将健康监测系统中采集的应变数据转换为应力值,再将应力值转化为应力循环,然后将应力循环进行统计即得到应力谱.每月随机选取10 d的应力幅作为标准季度应力幅的样本值,依据欧洲规范(Eurocode3)修订的S-N曲线和miner线性累积损伤准则对钢箱梁进行疲劳损伤评估.

1 工程概况

辽河特大桥为辽宁省滨海公路中的一座大型桥梁,位于营口、盘锦两市交界辽河入海口处,为我国寒冷地区第一大跨径钢箱梁斜拉桥,其桥跨布置为(62.3+152.7+436+152.7+62.3)m.桥址地处温带,东南临太平洋,西北靠欧亚大陆,气候受季风影响很大;该处春季温和,少雨多风,夏季炎热,雨量集中,秋季凉爽,雨量适当,冬季较长,多数为寒冷时期[9].

大桥健康监测系统安装有风速风向仪、温湿度计、三向加速度计等17类传感器,传感器布置如图1所示.整个健康监测系统于2013年7月正式运行.本文分析涉及到的钢箱梁应变监测截面共24个,每截面设置有12个测点,监测截面的传感器布置如图2所示.

图1 辽河大桥单塔传感器布置Fig.1 .Single tower sensor layout of Liaohe River Bridge

图2 钢箱梁应力传感器布图Fig.2 Steel box girder strain sensor layout

2 箱梁的疲劳评估方法

2.1 监测数据的预处理

由于桥梁应变监测数据受外部环境及内部自身因素相结合的复杂状况影响,采集的数据可能含有一定的噪声干扰,所以对被测对象进行滤波是结构状态识别的第一步.作者运用小波分析法对应力数据进行滤波处理,通过大量实验后,选用小波包db8对监测数据进行3层小波变换滤波,然后对滤波后的信号进行单支重构.对测点C7在2014年7月1日20:00:00至20:05:00总共5 min内的应力数据进行滤波与重构后的结果如图3所示.

图3 小波滤波后对比图Fig.3 Contrast of wavelet filtering figure

对原始信号和重构信号进行对比,可以看出数据中噪声干扰因素很小,噪声干扰最大处为结构突然受汽车载荷冲击时.表明噪声对结构影响最大时刻主要为结构受到局部冲击载荷时.

2.2 季度标准应力谱

以前大多数学者习惯将应力幅转换为标准应力幅[4-6],而作者通过对辽河大桥日应力幅统计发现,使用标准日应力幅法对统计的结果影响很大.图4与表1为2013年12月10日、11日、12日3天的日应力幅统计结果,可以看出各个阶段应力幅出现次数在不同的天数具有随机性,每天的应力幅走势都不相同.用某一日标准应力幅来代表每天的应力幅,不具备代表性.因此本文以季度为标准进行应力幅变化规律的统计.

图4 不同日期应力幅统计图Fig.4 The stress amplitude statistical figure of different date

表1 不同日期应力谱对比Table1 The stress spectrum contrast of different date

由图4与表1可以得出,12月10日、11日、12日结构应力循环次数分别为4 064、4 442、2 401次,每天应力循环次数超过10 MPa的分别为82、46、123次.由此可知,通过雨流计统计法得到的日标准应力谱,应用于结构损伤评定,得到的损伤量必然与真实的结构损伤存在一定的差距.

由于辽河特大桥应变采集频率为20 Hz,每天采集72 000个应变数据,将这些数据进行雨流计处理过程非常烦琐,为了提高计算速率,作者随机选取每月中10 d的应变数据,作为标准季度应力幅样本,每季度内共三个月,对大桥跨中截面钢箱梁顶板的C2点应力幅进行统计,统计结果见图5.

图5可以看出,春季和夏季应力幅变化幅度范围都在0～13 MPa之间,而春季的应力循环次数多于夏季;夏秋两季节对比可以看出,秋季应力变化幅度范围在0～18 MPa之间,应力幅度大于夏季;秋冬两季节对比可以看出,冬季应力变化幅度范围在0～32 MPa之间,应力幅度大于秋季,表明冬季结构的损伤度要大于其他三个季度.对比四个季节的应力幅,冬季月应力循环次数为73 795次,其他三季度应力循环次数在65 500次左右.

进一步对箱梁底板应力幅进行统计分析,限于篇幅本文只统计夏秋冬三季度,统计结果见图6.

钢箱梁底板主要承担风载荷、温度载荷与结构自身内力,根据统计结果,无论哪个季节底板应力幅都在8 MPa以下,且底板与顶板应力幅循环次数相差不多,表明顶板大于8 MPa的应力幅主要由汽车载荷产生.通过对辽河大桥温度进行统计,其春夏秋冬季平均温度为8 ℃、22 ℃、17.5 ℃、-4.5 ℃,结合顶板应力幅冬季大于其他季度的特点,认为顶板冬季应力幅变化与低温存在一定关系.

图5 不同季节顶板应力幅统计图Fig.5 The stress amplitude statistical figure of roof in different seasons

图6 不同季节底板应力幅统计图Fig.6 The stress amplitude statistical figure of bottom plate in different seasons

3 箱梁的损伤评估

为了将结构的疲劳累积损伤数量化定义,作者建立损伤数组[Di1,Di2,Di3,…,Di30],并将每季度应力幅等分为30份[Si1,Si2,Si3,…,Si30].桥梁运营过程中的疲劳损伤不断累积增长,据此可以建立钢箱梁疲劳损伤方程:

(1)

(2)

(3)

式中:Ni k为第i阶段对应应力幅Si k的循环次数;Nktotal为对应K次循环时结构产生疲劳损伤需要的总应力循环次数;Di为截至i时刻结构的累积疲劳损伤;Dequal为i与i-1时刻之间结构的等效累积损伤.

根据英国的疲劳规范,本文处理的结构焊缝类型为D级,其对应的S-N关系式为:

(4)

式中:N为应力幅为σr时对应的应力循环次数;m为双对数坐标系下S-N曲线斜率的负倒数[10];K0为强度系数,规范规定为0.37×1012;Δ为临界疲劳,其服从概率分布均值为1,变异系数为0.3的对数正态分布;d为概率因子,当d=0时,失效概率p=50%,当d=1、2、3时,失效概率分别为15.87%、2.27%、0.13%[11].

3.2 各个测点的损伤评估结果

辽河大桥健康监测系统数据正式开始采集时间为2013年7月2日,本文统计了跨中截面C2、C6、C8、C9、C11共计5个不同种类测点.2013年7月开始一年内不同节点的结构损伤情况见表2.

表2 各测点损伤评估表Table2 Damage assessment Tableof each measuring point

从评估表可以看出:在目前交通状况下,该桥各个测点的服役期限都大于了设计基准期限100年.底板测点2为底板与U肋纵向焊接连接,预期寿命为666年,可以认为在服役期限内结构不会在底板与U肋纵向焊接处产生疲劳破坏;测点8与测点9为顶板与U肋纵向焊接连接处,结构的疲劳寿命约为450年;测点6与测点11为横隔板与U肋下缘连接处,结构的疲劳寿命约为230年,此类节点的结构损伤度最大,主要由于该处连接等级较低、U肋和横隔板同时产生挠曲变形且变形不一致,使该处产生较大的剪应力和弯曲应力.以上各类节点综合评估结果表明,横隔板与U肋下缘连接处为箱梁的最薄弱位置应该重点监测,加强维护.

4 结 论

(1) 利用雨流计法对大型桥梁健康监测系统中应变数据,进行按季度应力幅统计,该方法统计的结果可以较准确地用于结构疲劳损伤分析.

(2) 选取季度应力幅为标准应力幅进行统计,相比日标准应力幅更具代表性.统计结果表明顶板应力幅大于底板,且冬季低温环境下,顶板应力幅变化达到最大,大于其他三季度.底板应力幅在四个季度内变化幅度相似.

(3) 对于实测的结构损伤情况,横隔板与U肋下缘连接处为箱梁的最容易破坏处,该处应该重点监测,加强维护.

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【责任编辑: 祝 颖】

Characteristic of Fatigue Stresses in Steel Box-Girders of Liaohe River Bridge

GouHongbing1,3,HuTieming2,ZhangGuanhua3,YuChuanjun3

(1.Liaoning Datong Highway Engineering Co.,Ltd.,Shenyang 110044,China; 2.Key Laboratory of Geoenvironmental Engineering,Shenyang University,Shenyang 110044,China; 3.Highway Bridge Diagnosis Technology of Transportation Industry R & D Center,Shenyang 110166,China)

In order to study the fatigue life of the steel box girder under cold environment,the stress monitoring data of Liaohe River Bridge for a period of 12 months are analyzed.By using the wavelet packet decomposition method to filter and reconstruct the stress data,the quarterly stress spectrum is obtained by processing the reconstructed stress with rain flow meter method.The fatigue assessment of different types of nodes of Liaohe River Bridge are done by the combination of the quarterly stress spectrum,Miner linear cumulative damage rule and the individual joint fatigue strength curve of BS5400 specification.The results are: the damage degree of the junction of diaphragms and lower edge of U lib is the biggest,followed by the longitudinally welded joints of roof and U rib,and the damage degree of longitudinally welded joints of bottom plate and U rib is the smallest.The results show that the junction of diaphragms and U rib needs maintenance.

bridge engineering; quarterly stress spectrum; steel box girder; fatigue damage; rain flow meter method

2015-01-22

辽宁省交通科研重点项目(201204).

苟红兵(1989-),男,四川蓬溪人,辽宁大通公路工程有限公司助理工程师,硕士; 胡铁明(1972-),男,辽宁沈阳人,沈阳大学教授,博士; 张冠华(1974-),男,辽宁锦州人,辽宁省交通规划设计院教授级高工,博士; 于传君(1974-),男,辽宁丹东人,辽宁省交通规划设计院教授级高工,硕士.

2095-5456(2015)04-0318-06

U 441+.4

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