实测动应变在城市拱桥焊缝疲劳寿命评估中的应用

摘 要：基于实测动应变对城市景观拱桥焊缝疲劳寿命评估进行了研究，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；主梁最容易发生疲劳破坏的部位是各个构造细部，因为在构造细部处往往会产生应力集中，使该处应力远高于构件其他部位，结合雨流计数法技术，得到“日应力谱”，并利用相关疲劳规范研究该桥焊缝疲劳寿命。

关键词：动应变；城市拱桥；焊缝疲劳；寿命评估

引言

城市景观桥是依据当地历史、文化、环境等塑造的有特色桥型，它可成为城市中独特性、唯一性的象征。然而由于其特殊的背景以及结构受力要求，往往城市中景观桥采用异性钢结构，拱桥由于其拱轴线流线美观以及受力合理等优势，经常是各业主以及设计者们首先方案，从而大、中、小城市钢结构拱桥数量倍增。

随着国家城镇化浪潮的推进，各城市、尤其是大、中城市交通量的巨增，运营期钢结构拱桥寿命已渐渐成为大家关注的重点。由于异性结构受力复杂以及荷载不确定性，人们并很难从理论分析方面进行有效控制或预测。考虑本国国情，除特大型桥梁，城市大、中型桥梁绝大多数未安装长期监测系统，因此，目前对此类钢结构桥型寿命评估方法研究非常必要。

为了准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估的应力谱是精确的。以往获取疲劳应力谱的途径是在对桥梁上的交通荷载调查统计的基础上，建立代表运营状况的车辆交通荷载模型，从而实现荷载历程的模拟和疲劳应力谱的计算[1]。但是这种交通载荷的模拟实际上很难准确再现随时间变化的桥梁实际的工作状态。

随着桥梁结构监测技术的发展，这种建立在经验以及统计基础上的应力谱计算将可以被安装在桥梁上的结构监测系统某段周期内实时采集的应变-时程所替代，由此得到的疲劳应力谱较之按照规范或统计的车辆载荷计算得到的应力谱，更加真实和准确地再现结构的工作状态，在实现疲劳寿命的精确评估方面迈进了一大步，保证了疲劳寿命评估的准确性和可靠性[2][3]。

1 基于实测动应变的疲劳性能评价方法

（1）将应变时程数据乘以构件的弹性模量得到测点的应力时程数据，并对应力时程数据进行雨流计数得到测点的应力谱；（2）根据英国疲劳规范和Cuninghame的报告（CuninghameJ.R.1990，FatigueclassificationofweldedjointsinorthorpicsteeldeskbridgeTRRLreportRR259，1990），确定所监测的构造细部的疲劳等级，选择可接受的失效概率，得到构造细部的S-N曲线；（3）按照Miner法则计算构造细部的疲劳寿命。

2 实例分析

文章利用实测的应变数据对某座城市拱桥钢结构主梁疲劳性能进行评估，本桥上部结构采用提篮拱式系杆拱，系杆与横梁采用钢箱梁结构，下部结构为桩柱式桥台，桥梁全长为73.5m，桥梁总宽为36m。

具体评估步骤如下：

（1）实验前计算分析

为了掌握桥梁结构在活载作用下受力特性，以便指导焊缝应力测点的布置，试验前对桥梁在设计活载作用下进行了计算分析。计算模型如图1

图1 桥梁计算模型

在移动荷载作用下（主车道4车道），桥梁构件应力计算结果如下：

在移动荷载作用下系梁计算结果：系梁上缘最大拉应力为30.6MPa，最大压应力为41.7MPa，最大应力幅值为72.3MPa；下缘最大拉应力为51.5MPa，最大压应力为17.6MPa，最大应力幅值为69.1MPa；最大应力及最大应力幅值均发生在系梁L/4处；横梁上缘最大拉应力为52.9MPa，最大压应力为67.8MPa，最大应力幅值为67.8MPa；下缘最大拉应力为67.7MPa，最大压应力为53.1MPa，最大应力幅值为67.7MPa；根据计算结果分析，最大应力及最大应力幅值均发生中横梁中部。

（2）测点布置

根据移动荷载作用下桥梁结构计算分析结果、构件局部构造及现场实施实验条件综合考虑，选取系梁L/4附近处竖向焊缝与纵向焊缝、系梁变截面处竖向焊缝（焊缝应力集中易处）以及端、中横梁中部下缘焊缝进行动应变测点布置，如图2、图3。具体测位置及编号见表1。

纵向布置

横向布置

图2 系梁测点布置

图3 系梁测点布置

表1 测点编号表

（3）数据处理

数据处理主要步骤为：应力时程曲线处理、绘制日应力谱、疲劳损伤及寿命预估。

a.应力实测曲线处理

每个测点以应变传感器采样频率20Hz24小时连续监测，在得到应变传感器所记录的每天的应变时程数据后，乘以钢材的弹性模量（206000Mpa）得到应力时程数据，如图1。

测点1 测点2

测点3 测点4

图4 测点应力时程曲线

b.绘制日应力谱

日应力谱绘制采用雨流法计数对应力峰值和谷值序列进行计数。所使用的雨流计数法程序不事先设定应力幅的等级，计数后得到的每个应力幅对应的循环次数只有两个值：如果是全循环则为1，如果是半循环则为0.5。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。

根据应力时程曲线采用雨流法计数计算个测点日应力谱计算结果如表2及图5，各测点应力0～1MPa占50%左右，1～10MPa占30～40%，10～40MPa占10～20%左右。

c.焊缝疲劳寿命评估

焊缝疲劳寿命评估是基于英国钢结构疲劳规范，在计算疲劳寿命时，低于2.0MPa的应力循环被舍弃。一方面，舍弃低应力循环可以缩减需要处理的数据量。另一方面，通过比较发现，使用舍弃了低于2.0MPa的应力循环和使用全部应力循环计算得到的寿命值完全一致。在应力谱中，划分应力幅的区段长度为1.0MPa。因为通过比较发现，即使区段划分的很细，如区段长度取0.1MPa，计算得到的疲劳寿命值基本不变。

根据英国钢结构疲劳规范，角焊缝所属疲劳等级的判定为英国疲劳规范的“F”级。在英国钢结构疲劳规范中， 关系由

下式给出：

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K0、Δ及m可根据构造细部的疲劳等级由规范得到，对于等级“F”，K0=1.73×1012，Δ=0.605，m=3.0；参数d称为概率因子，不同的取值对应不同的失效概率，d=0，失效概率为50%；当d=2，失效概率为2.3%。

由规范可知，疲劳等级为“F”的构造细部对应的疲劳极限σ0=40MPa。对于小于σr疲劳极限的应力幅，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-N关系后，即可计算出各测点各应力幅值所对应的损伤值及疲劳预测寿命值如表2。

表2 各测点各应力幅对应的损伤值

3 结束语

文章根据城市钢结构拱桥疲劳应力进行检测与分析，可得出以下结论：

（1）由于城市钢结构拱桥多数属于中型桥梁，测试前可对其进行计算分析，得出车辆荷载作用下最不利受力位置，用测更少点，得出客观的评定结果，以便此方法在跟多中型桥梁中的应用。

（2）由于城市测试环境非常复杂，数据监测时应远离通讯信号发射塔等信号源，数据分析应剔除日照温度、白噪声影响。

（3）钢结构拱桥疲劳测试时可同时统计桥梁交通量，根据统计交通量推算疲劳计算车辆模型，进行有限元理论计算，并对实测值与理论值进行比较，更好指导后续研究工作。

参考文献

[1]LI Z X， CHAN T H T， KO JM. Fatigue Analysis and LifePrediction of the Bridges with Health Monitoring Data： PartI：Methodology and Strategy [J].International Journal of Fatigue，2001，23（1）：45-531.

[2]KURIAN B，MENON D.Correctionof Errors in Simplified TransverseB

ending Analysis of Concrete Box-girder Bridges[J].Journalof Bridge Engineering，2005，10（6）：650- 6571.

[3]THABET A，HALDANE D1ThreeOdimensional Simulate-on ofNonlin

ear Response of Reinforced ConcreteMembers Subjectedto Impact-Loading [J].ACI-Struct-J，2000，97（5）：689-7011.

[4]Cuninghame J.R.1990，Fatigue classification of welded joints in orthor

picsteel desk bridge TRRL report [R].259，1990.

作者简介：吴明（1981-）男，江苏南京人，硕士，工程师，主要从事公路桥梁检测评估及加固工作。