基于桥梁健康监测数据的钢桥面板疲劳寿命分析

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正交异性钢桥面板具有自重轻、结构高度低、承载能力强、易于装配化和施工便捷等优点,在大跨径桥梁桥面板中得到了广泛的应用。然而由于其焊接残余应力、影响线短、车辆荷载的高循环应力等不利因素,容易发生疲劳开裂。疲劳裂纹的扩展会危及桥面板结构的耐久性和安全性,目前世界各地有许多桥梁出现了正交异性钢桥面板构造细节开裂现象。本文基于重庆万州牌楼长江大桥健康监测系统的实际监测数据对其正交异性桥面板典型疲劳细节进行了疲劳寿命分析。
  根据动态称重系统车辆数据,研究车流分布和车辆特征,并按照线性疲劳损伤累积准则,推导了适用的各车道疲劳车辆模型。从实测车流特征发现其各车道上的车流量大小和车流构成差别较大,因此与各国疲劳规范规定的疲劳荷载相比,本文确定的各车道疲劳车辆模型更加适用于重庆万州牌楼长江大桥桥面板的疲劳寿命分析。
  通过ANSYS建立钢箱梁跨中节段模型和车道1子模型,在对于车道1正交异性钢桥面板疲劳细节进行疲劳寿命评估时,考虑多车道荷载效应,即不仅考虑车道1车流对其造成的疲劳损伤,而且考虑相邻车道车流对其疲劳寿命的影响。通过横向布载确定疲劳车辆模型在两车道的横桥向最不利加载位置,在此基础上进行纵向加载,模拟车辆在桥面铺装上匀速前进,得到了在疲劳车作用下的应力谱,并按照欧洲Eurocode规范计算疲劳损伤程度。
  对顶板与U肋焊缝处的监测应变数据进行处理并利用matlab进行雨流计数,得到每天的日应力谱,并与有限元计算结果相对比。将每日的应力谱转换为一个等效应力幅,统计分析发现日等效应力幅和日循环次数符合对数正态分布;根据WIM系统实测数据和万州牌楼长江大桥设计相关资料推导其车流量增长模型和车辆车重增长模型;按照Paris公式,并利用顶板与U肋焊缝处裂纹尖端的应力强度因子推导其疲劳断裂模型;以日等效应力谱和疲劳断裂模型建立了顶板与U肋焊缝处的疲劳功能函数,计算了其在考虑年车流量和年车重增长情况下设计基准期内的疲劳可靠度评估结果。
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