江阴长江大桥钢箱梁疲劳应力监测及寿命分析

2009年6月　　

公　路　交　通　科　技

Journal of Highway and T ransportation Research and Development

V ol 126　N o 16

　　Jun 12009

文章编号:1002Ο0268(2009)06Ο0069Ο05

收稿日期:2008Ο07Ο24

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50378017)

作者简介:余波(1978-),男,河南驻马店人,博士研究生,研究方向为桥梁疲劳损伤1(yubo @ti 1js 1cn )

江阴长江大桥钢箱梁疲劳应力监测及寿命分析

余　波1,2,邱洪兴1,王　浩1,郭　彤1

(11东南大学　土木工程学院,江苏　南京　210096;21江苏省交通科学研究院,江苏　南京　210017;

摘要:针对江阴长江大桥钢箱梁,进行了疲劳应力的监测分析和疲劳寿命的预测研究。利用实桥布设的应变传感器获取应变时程数据,处理成应力时程数据并结合雨流计数法技术,得到“日应力谱”和“标准日应力谱”。根据相关疲劳规范,研究了钢箱梁的疲劳寿命等问题。结果表明,由于车辆荷载谱或有限元模型均存在大量的假定简化,利用记录的应变(应力)时程数据进行疲劳寿命评估,为准确可靠的研究方法;应变传感器记录分析得到的日应力谱具有相似规律,“标准日应力谱”方法可以有效地处理应变传感器记录的大量实测数据。关键词:桥梁工程;钢箱梁;应变时程数据;标准日应力谱;疲劳应力;疲劳寿命中图分类号:U448121+3　　　　　　文献标识码:A

Fatigue Stre ss Monitoring and Fatigue Life Analysis of Steel Box

G irder of Jiangyin Suspension Bridge

Y U Bo 1,2,QI U H ongxing 1,W ANG Hao 1,G UO T ong 1

(11School of Civil Engineering ,S outheast University ,Nanjing 　Jangsu 　210096,China ;

21Jiangsu T ransportation Research Institute ,Nanjing 　Jangsu 　210017,China )

Abstract :F or steel box girder of Jiangyin Suspension Bridge ,fatigue stress m onitoring and fatigue life prediction were im plemented 1M onitoring data of strain Οtime were obtained by using the strain transducer distributed on the Jiangyin Suspension Bridge 1A fter the m onitoring data of stress Οtime were calculated from the m onitoring data of strain Οtime ,“day stress spectrum ”and “standard day stress spectrum ”were obtained with help of the rain flow count method 1Based on the related fatigue criterion ,fatigue life prediction of steel box girder was discussed 1The result shows that (1)utilizing the recorded data of stress Οtime (strain Οtime )to estimate the fatigue life of the actual bridge is an accurate and reliable method due to the supposition and sim plification of vehicle load spectrum and

finite element m odel ;(2)different day stress spectra from the m onitoring data of the strain transducer have similar characteristics and the method of “standard day stress spectrum ”adopted in this paper can tackle the huge am ount of measured data efficiently 1

K ey words :bridge engineering ;fatigue stress ;fatigue life ;steel box girder ;strain Οtime data ;standard day stress spectrum 0　引言

桥梁在长期的使用过程中难免会发生各种结构损伤,某些要道上交通量以大大高于预测流量的速度猛增,也加剧了桥梁结构的自然老化。这些因素均导致

了桥梁承载能力和耐久性的降低,甚至影响到运营的安全。目前国内外采用现代光学、超声波、电磁等技

术检测工具,对大型结构进行力学性能和疲劳性能检测[1]。为了精确评估钢桥结构中的疲劳损伤状态和结构剩余疲劳寿命,首先需要保证用于桥梁构件疲劳评

江阴长江大桥健康监测等系列科研项目是由江苏省交通科学研究院、东南大学等单位合作承担完成的重要科研项目。江阴长江大桥这类特大跨桥梁的设计和计算,实际上已经超出了现有桥梁设计和评估规范所考虑的范围,因此,基于健康监测系统实测信息分析得到的桥梁疲劳应力规律,将有助于验证这类特大跨桥梁设计和建造过程中所用的假设和参数,用作今后结构设计和评估模型的修正和改进。

1　钢箱梁光纤应变传感器的布置

江阴长江大桥健康监测及安全评价系统按照系统包括硬件系统和软件系统,按照系统实现功能的不同分为:传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与控制系统和数据管理系统、结构健康状况评价系统等。传感器系统包括安装在桥上的加速度计、应变计、温度传感器、位移计和G PS等,另外还有车速车载感应系统和数据采集及处理系统。

江阴长江大桥总共布置了80个光纤应变传感器,分别安装在主跨等间距的9个截面上,每个截面8个测点,其中跨中截面(5号截面)每个测点布置2个光纤应变传感器,即1个顺桥向和1个横桥向光纤应变传感器,而其余截面的每个测点均仅布置1个顺桥向光纤应变传感器,光纤应变测传感器布置在箱梁内部,其分布如图1所示。符号“FY BΟnΟmΟs”和“FY BΟnΟmΟh”中,FY B表示光纤应变测点;n表示截面号,按照从靖江至江阴排列,分别为1至9号截面;m表示测点截面内编号,按顺时针排列;s表示顺桥向布置测点,在图中用▲表示;h表示横桥向布置测点,在图中用∀表示;OFS表示有光纤应变测点布置的截面编号;FW D表示光纤应变测点局部编号

。

图1　江阴长江大桥光纤应变传感器布置图

Fig11　Distribution of optic fiber strain sensors of Jiangyin suspension bridge

　　为评估江阴长江大桥构件的疲劳寿命,应对每个

应变传感器所监测的构造细部进行分析。根据相关文

献关于桥梁结构各个不同部位的构件的危险程度和薄

弱等级的评述[9-10],最危险的部位是那些承受高速

公路交通荷载且位于最外层车道的部位。结合监测数

据,对“FY BΟ4Ο5Οs”、“FY BΟ3Ο3Οs”等传感器监测的

构造细部进行了分析。限于篇幅,本文只详细列出应

变数据较大的传感器“FY BΟ4Ο5Οs”监测结果。

2　疲劳应变监测

光纤应变传感器“FY BΟ4Ο5Οs”表示4号截面中顺

时针第5个顺桥向布置的应变传感器,安装于两纵向

波形加劲肋之间,邻近纵向加劲肋与桥面板的焊缝,

如图2所示。

07　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　公　路　交　通　科　技　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第26卷

图2　传感器“FYB Ο4Ο5Οs ”位置和其监测的附近的焊缝

Fig 12　Distribution of sensor FYB Ο4Ο5Οs and

the monitored w elding lines

　　对于光纤应变传感器测得的应变数据,采用商业

软件MAT LAB 进行数据处理后,可得2005年10月22日至2005年10月26日的应变时程曲线如图3所示。此时,应变传感器的采用频率为100H z 。

3　标准日应力谱

构件应力可通过计算分析得到,

将车辆荷载谱施

图3　应变传感器“FYB Ο4Ο5Οs ”的应变时程曲线

Fig 13　Curve of strain Οtime of sensor FYB Ο4Ο5Οs

加于桥梁有限元模型上可计算得到构件应力[11]。然而,无论是荷载谱还是有限元模型均存在大量的假定和简化,它们与真实情况存在差异,会影响应力计算结果的精度。由于疲劳寿命对于应力幅非常敏感(根据英国疲劳规范和美国疲劳规范,疲劳寿命最少与应力幅的3次方成反比),所以根据计算的应力来评估疲劳寿命的可信度是不高的。因此,利用记录的应变数据进行疲劳寿命评估,更为准确可靠。

对低幅值的应力循环的处理,一般认为低于构件疲劳极限值的应力幅对疲劳损伤的累积没有贡献,因此不予考虑。然而英国疲劳规范[12]指出,在荷载序列中,应力幅有大有小,较大的应力幅会使构件的初始缺陷扩大,从而导致疲劳极限值降低。因此,随着时间增长,原来低于构件疲劳极限值的应力幅也会对损伤的累积产生作用,所以低幅值的应力循环也应以一定方式予以考虑。在英国规范中,计入低幅值的应力循环,但将其次数以一定比例减少。通过对已安装结构健康监测系统的桥梁,如青马大桥、汀九桥的实测应变时程数据进行分析发现,每个测点每天的

应变时程曲线类似,使用雨流计数得到的每天的应力谱也很相似,所以可以对许多天的日应力谱进行平均,得到平均日应力谱,称为“标准日应力谱”。使用基于标准日应力谱的疲劳评估方法,每次只需要对1d 的应变时程数据进行雨流计数,对计算机硬件要求不高,“标准日应力谱”方法不失为1种较好的处理方法。

在得到应变传感器“FY B Ο4Ο5Οs ”所记录的每天的应变时程数据后,可采用以下步骤获得当天的应力谱:(1)将应变时程数据乘以钢材的弹性模量得到应力时程数据;(2)找出应力时程曲线中的峰值和谷值;(3)对应力峰值和谷值序列进行雨流法计数。所使用的雨流计数法程序事先不设定应力幅的等级,计数后得到的每个应力幅对应的循环次数只有2个值:如果是全循环则为1,如果是半循环则为015。所以在计数后,需要将应力幅划分为若干区段,以将应力幅对应的循环数归并为若干应力幅等级,所得到的直方图即为应力谱。图4为应变传感器“FY B Ο4Ο5Οs ”在2005年10月22日至2005年10月26日的应力谱。

1

7第6期　　　　　　　　　　　　余　波,等:江阴长江大桥钢箱梁疲劳应力监测及寿命分析　　　　　　　　　　　

图4　应变传感器“FYB Ο4Ο5Οs ”的应力谱

Fig 14　Stress spectrum of sensor FYB Ο4Ο5Οs

　　从图4(a )至图4(e )的比较可知,日应力谱很相似,可将这些天的日应力谱进行平均,以得到1个“标准日应力谱”并用之计算疲劳寿命。将10月22日至26日的日应力谱进行平均得到标准日应力谱,结果如图5所示

。

图5　应变传感器“FYB Ο4Ο5Οs ”的标准日应力谱

Fig 15　Stand ard d ay stress spectrum of sensor FYB Ο4Ο5Οs

4　疲劳寿命评估

为进行疲劳评估,英国疲劳规范根据焊接类型、应力方向等因素将各构造细部划分为几种类型或称等级。在对某构造细部进行疲劳评估时,首先判断其所属细部类型,然后确定该类型所对应的S ΟN 曲线。S ΟN 曲线是根据大量试件的疲劳试验经统计分析后得到的。需要说明的是,英国疲劳规范不适用于正交异性桥面板的疲劳分析,因为该规范没有给出正交异性桥面板构造细部的S ΟN 曲线。但是英国交通研究实验室对正交异性桥面板的各种焊接节点进行了多

年、大量的试验,并给出了各种焊接节点相当于英国疲劳规范的类型[12]。所以对江阴大桥正交异性钢桥面板各构造细部进行疲劳评估时,可根据文献[9]建议的疲劳等级划分来确定相应的S ΟN 曲线。

正交异性桥面板焊接节点所属疲劳等级的判定可参考Cuninghame 的报告[9]。应变传感器“FY B Ο4Ο5Οs ”所监测的附近的焊缝类型为“纵向加劲肋与桥面板的焊缝”,其疲劳等级对应于英国疲劳规范的D 级。在英国疲劳规范中,σr Ο

N (S ΟN )关系为:N ×σm

r =K 0×

Δd ,(1)

式中,N 是在应力幅σr 作用下构件发生破坏所需要的

次数;参数K 0,Δ,m 可根据构造细部的疲劳等级由规范得到,对于等级D ,有:K 0=3199×1012,Δ=01617,m =310;参数d 称为概率因子,不同的取值对应于不同的失效概率,当d =0,失效概率为50%;当d =2,失效概率为213%。根据213%的失效概率对应的S ΟN 曲线也可以计算出1个疲劳寿命值,美国疲劳规范称之为“剩余安全寿命”,因此失效概率提供了很高的安全度。

由规范可知,疲劳等级为D 的构造细部对应的疲劳极限σ0=53MPa 。对于小于疲劳极限的应力幅σr ,

按照规范,其循环次数需按(σr /σ0)2的比例进行折减。在得到了标准日应力谱和S ΟN 关系后,即可计算出应变传感器“FY B Ο4Ο5Οs ”所监测的纵向加劲肋与桥面板的焊缝的疲劳寿命值。

表1为几个不同的传感器所监测的构造细部疲劳寿命值。

2

7　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　公　路　交　通　科　技　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第26卷

T ab11　F atigue life of w elding configuration

monitored by the distributed sensor

应变传感器编号FY BΟ4Ο5Οs FY BΟ3Ο3Οs FY BΟ5Ο4Οs FY BΟ6Ο2Οs

疲劳寿命值/a459192010829

　　由表1中数据可见,应变传感器“FY BΟ4Ο5Οs”所监测的构造细部的疲劳寿命值最小,即应变传感器“FY BΟ4Ο5Οs”所监测的构造细部最容易发生疲劳破坏,但此疲劳寿命值远大于江阴大桥的设计寿命值。

5　结语

本文对江阴长江大桥钢箱梁疲劳应力进行监测分析,利用实测数据对江阴大桥的疲劳寿命进行预测。通过上述分析,得到以下结论:

(1)日应力谱很相似。应变传感器记录的数据量很大,计算机常常由于硬件无法对长时间段的数据进行处理,可利用本文的“标准日应力谱”方法较好地解决这个问题。

(2)疲劳寿命计算结果表明,对于江阴大桥的正交异性桥面板,相对其他部位而言,纵向加劲肋与桥面板的焊缝较易发生疲劳破坏。

(3)由于无论是荷载谱还是有限元模型均存在大量的假定和简化,利用记录的应变数据进行疲劳寿命评估,这应是最准确可靠的方法。

(4)关于江阴长江大桥这类大跨桥梁的结构健康监测,尤其是在损伤识别、状态识别与安全性评估方面,还有许多问题有待进一步探索研究。

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