何见强,张林凯

(武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063)

0 引 言

近年来,随着我国交通事业的发展,公路桥梁交通量和所承载负荷逐年增加,引起的桥梁结构疲劳问题日趋严重。目前,国外对桥梁疲劳荷载模型进行了大量研究[1],例如英国BS5400规范[2]中对于车辆疲劳荷载模型的统计最为全面,其将疲劳荷载分为三种形式:典型车辆、标准疲劳车、轴重。

我国学者对一些地区的交通量也做了调查分析,童乐为[3]等通过对上海城市桥梁的交通量统计调查,总结出6种典型车辆组成的车辆疲劳荷载谱;周泳涛[4]分别对不同地区的8条典型高速公路进行交通调查,得到适用于相应地区的车辆荷载模型。但采集车辆样本数据太少、调查时间短及调查方法有一定的局限性。

目前国内对于装配式梁桥横向联系损伤研究主要集中在损伤对桥梁整体结构受力性能的影响。对装配式T梁桥横向联系疲劳损伤的研究还很少,相关影响规律与作用机理还不明确。

为此,本文选取某装配式T梁桥,通过调查其所在路段车流量,建立符合本地区情况的疲劳荷载模型,并基于P-M准则建立疲劳评估流程,依托工程实例,通过随机车流影响线加载法得到横向联系关键点部位钢筋的应力谱,开展横向联系关键点部位的疲劳损伤研究。

1 车流量调查及建立疲劳荷载模型

1.1 车流量调查

本文采用人工观测并结合有限的观测设备对桥梁断面进行24小时实时车流量观测,得到车型、车间距、车道分布等信息。然后结合汽车车型手册等资料[5]估计车重、轴距及轴重等参数,从而建立完整的交通量调查数据库。

具体的实施步骤如下:

(1)前期准备:了解调查路段车辆类型,结合车辆分类标准进行分类,然后准备观测设备、打印记录表等。

(2)现场调查观测:选取断面进行24小时连续车流量观测,记录车型、车间距、车道分布等信息,将数据汇总。

(3)数据整理分析:选定代表车型,统计各车型比例、车道、车重及车间距分布,结合资料选定各代表车型轴距及轴重分配比例。

1.2 建立疲劳荷载模型

公路交通荷载具有较强的随机性,其车型比例、车重及车间距等参数服从一定的概率分布[6]。基于数理统计理论及疲劳损伤等效原理将调查得到的车辆类型换算为7类代表车型,见表1。

当车辆在桥上行驶时,其横向位置的不同会对桥梁的动力响应产生不同影响,因此有必要对车辆的车道分布进行统计。该桥单幅车道总宽度为10.25 m,布置为:超车道+行车道+应急车道。由于应急车道基本没有车辆行驶,忽略其对车道统计的影响,在车流量调查过程中只考虑行车道和超车道。在连续24 h内共采集车辆数据22 480辆,各车型不同车道的分布占比如图1所示。

图1 各车型车道分配比例

表1 代表车型图示及载重范围

采用公路收费站的动态称重系统获得所有通过车辆车重。根据各种车辆出现频率对车重进行加权平均,得到7种代表车型的车重。对各代表车型的车重分布进行分析,剔除异常值,确定分布类型进行参数估计,得到车重概率分布如表2。

表2 车重分布参数及K-S检验结果

根据规范规定,前后车时间间隔大于3 s时的车辆运行状态为一般运行状态,前后车时间间隔不超过3 s及处于拥堵状态时为密集运行状态。本文在调查车间距时发现此处出现拥堵状态的概率近乎为零,只考虑一般运营状态下的车间距分布特征,并拟合得到相应的概率密度函数,然后进行拟合优度检验,如表3。

表3 车间距分布参数及K-S检验结果

根据前述车型、车重及车间距参数估计结果,结合Monte Carlo法[7],利用Matlab软件编写程序进行随机车流模拟。参考英国BS5400规范,忽略3吨以下车辆的影响,以剔除小汽车后的日均交通量模拟随机车流,建立疲劳荷载模型如图2。

图2 随机车流量模拟样本图

2 桥梁计算模型及疲劳损伤评估理论

2.1 桥例计算模型

本文以某装配式T梁桥为算例,取其中一孔40 m作为研究对象,开展疲劳损伤分析。该桥采用分幅式设计,单幅宽度12.25 m,主梁片数5片,梁间距2.47 m,主梁高度2.5 m,预制梁长度39.52 m,横向采用现浇湿接缝连接,如图3。

图3 跨中及支点截面布置

为精确反应车载作用下桥梁局部构件的动力响应,采用ANSYS建立全桥精细化有限元模型,如图4。

图4 桥梁有限元模型

2.2 疲劳损伤评估理论

本文采用各国规范中常用的基于S-N曲线及P-M准则的疲劳评估方法,主要针对湿接缝连接钢筋的疲劳性能展开研究。根据Hanson[8]对接焊钢筋疲劳强度的研究,受焊缝的影响其疲劳强度降低约1/3～1/2。本文选用铁科院给出的接焊钢筋的疲劳强度曲线,如式(1)。

(1)

目前,最常用的线性疲劳累积损伤理论不考虑不同应力幅的作用顺序及平均应力的影响,疲劳应力彼此独立且所产生的疲劳损伤互不相关,通过线性叠加原理对每次循环产生的疲劳损伤线性累加,当总的疲劳损伤值累加到某一临界时,结构发生疲劳破坏,用疲劳损伤度D来表示,如式(2):

(2)

式中:ni为第i级应力幅下的实际应力循环次数;Ni为发生疲劳破坏时第i级应力幅下的应力循环次数;Di为第i级应力幅下的疲劳损伤累积值。

一般情况下,结构的疲劳累积损伤度临界值Dcr=1。认为D<1时,结构未发生疲劳破坏;D≥1时,结构已发生疲劳破坏。

桥梁在车辆荷载作用下,主要承受变幅应力作用。因此,在车辆荷载作用下的应力历程,通过雨流计数法整理得到一系列不同大小的应力幅,根据S-N曲线及P-M准则将其换算为等效应力幅,然后再进行疲劳损伤评估,等效应力幅换算如式(3)。

(3)

式中:Δσeq为等效应力幅;ni为实际应力幅对应的循环次数;m为S-N曲线的斜率。

因此,通过上述理论可推出桥梁结构的疲劳寿命Tr,如式(4):

(4)

式中:Tr为桥梁疲劳寿命估计值;Dy为桥梁一年内的疲劳累计损伤度;Dd为单日疲劳累计损伤度,由典型日交通量作用下得到。

3 随机车载下横向联系疲劳损伤评定

3.1 横向联系关键点位置确定

在车辆作用下,全桥横隔梁及桥面板湿接缝的动力响应和疲劳损伤情况存在差异,后续进行疲劳寿命评估时以横向联系薄弱部位为研究对象,因此首先要确定疲劳关键点部位。此处选用表1中给出的两轴货车作为疲劳车辆进行右侧行车道加载。

该桥共有5片主梁和5道横隔梁组成,为方便分析对全桥20处横隔梁及16处桥面板湿接缝进行编号如图5。

图5 横隔梁位置编号

在车辆加载下计算结果如图6。由图可知,当车辆作用于右侧车道时,b-3#横隔梁下缘中部及C-b#桥面板下缘中部的横向应力较大,最大值出现在桥面板几何中心下缘对应的受拉钢筋上,约为14.772 MPa,后续对横向联系的疲劳损伤评价均以C-b#桥面板几何中心下缘受拉钢筋为对象。

图6 单车道加载下横向应力结果

3.2 关键点部位应力影响线

本文在提取关键点应力影响线时,采用集中单位力来模拟车轮的作用,分别施加于超车道与行车道,沿桥纵向共设置192个加载步,然后以目标位置处单元的节点数据定义变量,得到关键点处受拉钢筋应力影响线竖标值。

通过上述计算方法得到的C-b#桥面板几何中心下缘受拉钢筋应力影响线见图7。

图7 关键点位置受拉钢筋应力影响线

3.3 关键点部位钢筋应力历程分析

本节以前文模拟得到的典型日交通量为例,通过MATLAB编写的影响线加载程序进行应力历程分析,得到一个典型日内C-b#关键点钢筋的应力历程,截取前10000个加载步的应力历程曲线如图8。

图8 C-b#关键点钢筋应力历程曲线

采用MATLAB编写雨流计数法统计程序,对应力历程进行统计,得到关键点处钢筋应力幅及循环次数,如图9。

图9 C-b#关键点钢筋应力幅

3.4 关键点部位钢筋疲劳性能分析

由于T梁预制阶段是按全预应力混凝土构件设计的,在车辆作用下主梁预应力钢筋和混凝土的应力幅很小,疲劳损伤问题一般不会发生在主梁,而湿接缝作为连接主梁的薄弱部位,在运营期内常伴随各种典型病害,例如渗水泛碱、破损露筋等。因此,湿接缝受力薄弱部位在车辆荷载反复作用下加之雨水等的侵蚀,会严重影响其疲劳寿命。

得到关键点钢筋的应力幅之后,根据等效应力幅换算公式(3),得到关键点处钢筋等效应力幅,假定桥梁在设计基准期内每年交通量不变,结合桥梁结构疲劳评估流程,求得C-b#关键点部位受力钢筋的疲劳累计损伤度值及疲劳寿命,见表4。

表4 关键点部位钢筋疲劳累计损伤度及疲劳寿命

由表可知,不考虑桥梁设计基准期内的交通量变化及其它外部环境因素等的影响下,C-b#关键点部位的受拉钢筋的疲劳累积损伤度估算结果很小,计算得到的关键点部位钢筋的疲劳寿命为98年。

4 结 论

本文结合实际桥例,对桥梁所在路段的车流量进行调查,形成适用于本桥的车辆疲劳荷载谱,然后建立装配式T梁桥精细化有限元模型,采用自编的影响线加载程序及雨流计数法应力幅统计程序,开展随机车流荷载作用下的桥梁局部构件的疲劳损伤评估,评估结果表明:桥梁结构关键点部位的钢筋在不考虑任何外界因素影响下的疲劳寿命达到98年,因此可以认为装配式T梁桥结构设计合理,在运营期间,做好日常管养工作,严格限制车辆超载超限并控制交通量在一定范围内的情况下,桥梁在设计基准期内一般很难发生因疲劳引起的破环。