大跨懸索橋索梁錨固區(qū)疲勞養(yǎng)護(hù)概率優(yōu)化方法
2018-03-26
懸索橋吊桿（索）與加勁梁之間的錨固區(qū)（通常稱為索梁錨固區(qū)）是主纜和加勁梁之間的傳力構(gòu)件，是控制加勁梁設(shè)計(jì)的重要部位。索梁錨固區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)力集中，吊桿（索）索力由它傳給主梁，其力學(xué)性能直接關(guān)系全橋的安全[13]。在風(fēng)與車輛等反復(fù)荷載作用下，易發(fā)生疲勞破壞。隨著中國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，交通流量不斷增加[4]，索梁錨固區(qū)更易發(fā)生疲勞破壞。
許多大跨度懸索橋修建時(shí)對(duì)吊索在鋼主梁上錨固區(qū)域的疲勞性能進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)研究[13，5]。但這些研究大都集中在索梁錨固系統(tǒng)的受力分析與疲勞性能評(píng)估，對(duì)其養(yǎng)護(hù)評(píng)估涉及較少。本文基于全壽命養(yǎng)護(hù)方法[6]，把橋梁的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用分為檢測(cè)費(fèi)用、維修費(fèi)用與失效費(fèi)用，其中檢測(cè)費(fèi)用和維修費(fèi)用為實(shí)際費(fèi)用，失效費(fèi)用為風(fēng)險(xiǎn)費(fèi)用，將線彈性斷裂力學(xué)（LEFM）、結(jié)構(gòu)可靠度理論、全壽命成本分析法用于焊接鋼橋的養(yǎng)護(hù)策略，提出了疲勞養(yǎng)護(hù)概率優(yōu)化的方法，以輔助焊接鋼橋構(gòu)件養(yǎng)護(hù)決策；通過(guò)優(yōu)化維修時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的維修費(fèi)用，并用于懸索橋的索梁錨固系統(tǒng)的疲勞維修示例中。
1基于LEFM的疲勞壽命可靠性評(píng)估
在反復(fù)荷載作用下，鋼構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)裂紋，且在荷載作用下不斷擴(kuò)展，易導(dǎo)致疲勞失效[7]。疲勞裂紋擴(kuò)展的影響因素往往都是隨機(jī)的，鋼構(gòu)件的疲勞壽命往往具有較大的隨機(jī)性，因此其疲勞壽命可靠性評(píng)估一般采用概率分析的方法[8]。
3.4交通量對(duì)疲勞可靠度的影響
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，汽車保有量逐年增長(zhǎng)，橋梁承受的交通荷載也會(huì)不斷地增長(zhǎng)，橋梁結(jié)構(gòu)焊接細(xì)節(jié)所承受的疲勞荷載效應(yīng)也會(huì)持續(xù)地增長(zhǎng)。在計(jì)算服役期內(nèi)焊接細(xì)節(jié)的疲勞可靠度時(shí)，須將計(jì)入疲勞荷載效應(yīng)的增長(zhǎng)。通過(guò)蒙特卡洛法模擬計(jì)算式（11），則索梁錨固區(qū)焊接細(xì)節(jié)的疲勞可靠度如圖7所示。
3.5車輛載重變化對(duì)疲勞可靠度的影響
4結(jié)論
1）將養(yǎng)護(hù)費(fèi)用分為檢測(cè)費(fèi)用，維修費(fèi)用與失效費(fèi)用，其中檢測(cè)與維修費(fèi)用是實(shí)際發(fā)生的費(fèi)用，而失效費(fèi)用屬于風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)成本，表示疲勞失效可能造成的損失。提出了鋼橋焊接構(gòu)件的疲勞養(yǎng)護(hù)優(yōu)化方法，將養(yǎng)護(hù)優(yōu)化問(wèn)題變?yōu)樵跇?gòu)件滿足最小允許可靠度的總費(fèi)用最小的問(wèn)題。該方法考慮了平均應(yīng)力、決策者的維修意愿概率和費(fèi)用成本等多種因素，使分析疲勞養(yǎng)護(hù)優(yōu)化更接近工程實(shí)際。
2）在忽略次要因素的基礎(chǔ)上，對(duì)該疲勞養(yǎng)護(hù)優(yōu)化方法進(jìn)行了簡(jiǎn)化，該簡(jiǎn)化方法簡(jiǎn)單實(shí)用，可操作性強(qiáng)，適用面廣。 3）以青草背大橋的主梁的耳板式索梁錨固區(qū)的疲勞養(yǎng)護(hù)為例，在簡(jiǎn)化次要參數(shù)的基礎(chǔ)上分析了檢測(cè)費(fèi)用、維修費(fèi)用、失效費(fèi)用以及折現(xiàn)率等主要參數(shù)對(duì)最優(yōu)檢測(cè)時(shí)刻的影響。
4）結(jié)構(gòu)的可靠度隨交通量增長(zhǎng)而下降，疲勞養(yǎng)護(hù)時(shí)刻相應(yīng)提前。索梁錨固區(qū)的焊接細(xì)節(jié)的疲勞破壞風(fēng)險(xiǎn)隨車輛荷載逐年增加而增大，應(yīng)引起足夠的重視。限于篇幅，本文只列舉了索梁錨固區(qū)疲勞焊接一個(gè)細(xì)節(jié)的養(yǎng)護(hù)策略，并未列出其他疲勞細(xì)節(jié)。多疲勞細(xì)節(jié)的疲勞養(yǎng)護(hù)優(yōu)化是今后的研究方向。
參考文獻(xiàn)：
[1]陶曉燕，余振生，劉曉光，等.西堠門大橋索梁錨固部位的受力分析及模型試驗(yàn)[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2009，30（1）：4953.
[2]劉曉光，張玉玲.西堠門懸索橋分體式鋼箱梁錨箱傳力路徑和疲勞性能分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2010，25（8）：1316.
[3]包立新，衛(wèi)星，李俊，等.鋼箱梁斜拉橋索梁錨固區(qū)的抗疲勞性能試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，2007，24（8）：127133.
[4]周泳濤，鮑衛(wèi)剛，翟輝，等.公路鋼橋疲勞設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2011，43（11）：7985.
[5]李小珍， 蔡婧， 強(qiáng)士中. 大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)型式的比較[J]. 工程力學(xué)， 2004， 21（6）： 8490.
[6]曾勇.大跨度懸索橋設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的監(jiān)測(cè)、維護(hù)與管理策略研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2009.
[7]鄧揚(yáng)，丁幼亮，李愛群，等.鋼箱梁橋焊接細(xì)節(jié)的疲勞斷裂可靠性分析[J].工程力學(xué)，2012，29（10）：122128.
[8]李慶芬， 胡勝海， 朱世范. 斷裂力學(xué)及其工程應(yīng)用[M]. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學(xué)出版社， 2008.
[9]彭洋，童樂(lè)為，Zhao Xiaoling，等.焊接接頭應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算公式的改進(jìn)[J].工程力學(xué)，2012，29（10）：225231.
[10]Chryssanthopoulos M K， Righiniotis T D.Fatigue reliability of welded steel structures [J]. Journal of Constructional Steel Research，2006，62（11）：11991209.
[11]吳世偉. 結(jié)構(gòu)可靠度分析[M].北京：人民交通出版社，1990.
[12]曾勇，譚紅梅，孫士成，等.基于概率的鋼橋焊接構(gòu)件疲勞養(yǎng)護(hù)策略優(yōu)化方法[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2013，34（1）：2934.
[13]Lukic M，Cremona C.Probabilistic assessment of welded joints versus fatigue and fracture [J].Structure Engineering， 2001，72（3）：253264.
[14]Estes A C， Frangopol D M.Minimum expected costoriented optimal maintenance planning for deteriorating structures：applications to concrete bridge deck [J]. Relialbity Engineering & System Safety，2001， 73（3）：281291.
[15]曾勇，渠昱，顧安邦.青草背長(zhǎng)江大橋吊桿錨固系統(tǒng)力學(xué)性能試驗(yàn)研究及安全性能評(píng)估研究[R].重慶：重慶交通大學(xué)，2012.
[16]Righiniotis T D. Effects of increasing traffic loads on the fatigue reliability of a typical welded bridge detail [J]. International Journal of Fatigue，2006，28（3）：873880.
