基于結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁疲勞壽命可靠性評估 - 鄭蕊-

1、第31卷第6期2001年11月東南大學學報(自然科學版JOUR NAL OF SOUTHEA ST UNIVER SITY (Natural Science Edition Vol .31No .6Nov .2001基于結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁疲勞壽命可靠性評估鄭蕊李兆霞(東南大學土木工程學院,南京210096摘要:為探討如何利用結構健康監(jiān)測系統(tǒng)所記錄的應變時程曲線進行橋梁結構疲勞壽命的可靠性評估.選取若干天的應變時程曲線,通過統(tǒng)計分析得到其標準樣本,認為該橋上所有的應變循環(huán)都是這個標準樣本的重復;利用雨流計數(shù)法,得到標準樣本的應力幅譜.在對橋面結構細節(jié)的疲勞壽命進行可靠性評估時,利用BS540

2、0關于橋梁構件細節(jié)的標準分類結果對已有的概率模型進行修正,得到適合于橋梁疲勞壽命可靠性評估的概率模型.關鍵詞:結構健康監(jiān)測系統(tǒng);疲勞壽命;可靠性;概率模型中圖分類號:O346.5文獻標識碼:A 文章編號:1001-0505(200106-0071-03收稿日期:2001-05-09.作者簡介:鄭蕊,女,1975年生,碩士研究生.基金項目:國家自然科學基金資助項目(50178019.橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)被稱之為風和結構健康監(jiān)測系統(tǒng)(W ASH MS ,它是利用在橋梁建設時期預埋在橋梁內部關鍵部位的各種應變計傳感器來對橋梁的整個使用壽命期間的結構健康狀況和性能進行監(jiān)測的一種完整的在線監(jiān)測系統(tǒng).作為結構

3、健康性能的一個重要部分,橋梁結構的耐久性主要是由橋梁關鍵構件的疲勞性所決定的.因此橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的一項重要任務就是提供橋梁疲勞狀況的真實信息,從而可對橋梁的疲勞損傷作出估計,并對其疲勞壽命作出可靠性預測.1應力幅數(shù)據(jù)來源及整理1.1青馬大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)青馬大橋總長2.2km ,主跨1.377km ,是世界上最長的公路、鐵路兩用懸索橋.橋面分為2層,上層為高速公路,下層主要為鐵路.構造上,青馬大橋的橋面部分是桁架和箱形結構的混合結構.1.2應力幅頻為了能夠獲取真實而完整的能代表各種應力范圍及其各自頻率的數(shù)據(jù),需要一段足夠長的數(shù)據(jù)記錄時間.對于高速公路的監(jiān)測,2d 或3d 的過程被認為是能滿足以

4、上要求的.因為橋梁疲勞主要是高周疲勞,結構中的循環(huán)應力都在比例極限以內,因此可用公式=E 計算相應的應力.應用雨流計數(shù)法,篩去非敏感區(qū)以內的應力幅,得到名義應力幅譜.由于利用SSTLN 01所記錄的應變數(shù)據(jù)計算得到的應力幅只是相關構件的名義應力,而疲勞累計實際上是發(fā)生在構件的焊接細節(jié)處.為了得到位于應變計附近焊接細節(jié)處危險點(一般是焊趾處的實際應力,可以將名義應力用幾個系數(shù)加以修正,如S =K w K d K g S n1(1式中,S n 為應變計處的名義應力;K g 為由于考慮焊縫附近的幾何不連續(xù)性而得到的應力集中系數(shù);K d 為焊趾處的應力分布系數(shù);K w 為由焊接過程引起的位于焊趾的殘余

5、應力和缺陷影響系數(shù).在最靠近應變計表1SSTLN1附近焊趾處實際應力幅頻實際應力S /MPaa i4.00×10-2不同失效概率下的疲勞壽命根據(jù)英國規(guī)范BS54003對橋梁在不同失效概率下疲勞曲線各參數(shù)的實驗研究,可根據(jù)BS5400中的公式計算得到不同可靠概率下橋梁的疲勞壽命N 1ni =1a i S mi =K 0d(2式中,N 1為在變應力幅S i 作用下的失效循環(huán)數(shù);a i 為第i 級應力幅的循環(huán)數(shù)和總循環(huán)數(shù)之比;S i 為第i 級應力幅;,K 0,m是和統(tǒng)計分析結果的50%概率(即平均壽命相關的常數(shù);是對數(shù)疲勞壽命標準方差的反對數(shù)的倒數(shù);d 是低于中線值的標準方差數(shù).表2利用

6、BS5400實驗結果得到的疲勞壽命3.0130參閱BS5400對各細節(jié)類別的列表,在應變計SSTLN01附件的構件焊接細節(jié)類別為F 2,K 0=1.23×1012由應力幅譜可看出,橋梁承受的由交通荷載引起的實際應力遠遠小于設計強度,所以得到較長的疲勞壽命是合理的.3基于概率模型的疲勞壽命在前面的計算中,只計算了5種失效概率下的疲勞壽命,這是因為在B S5400的相應列表中,只提供了根據(jù)實驗結果整理出來的這5種失效概率下的計算參數(shù).為方便計算任何概率下的疲勞壽命,作者對已有的概率模型2進行修正,得到適合橋梁疲勞壽命評估的概率模型.3.1疲勞壽命的概率模型此模型2的思路是,首先應用Min

7、er 線性累積損傷理論進行平均壽命計算(Miner 損傷準則對于平均壽命的計算,可靠程度比較理想,再由疲勞壽命近似服從對數(shù)正態(tài)分布的假設,得到不同疲勞壽命的可靠性系數(shù).平均疲勞壽命可以由50%存活率的P S N 曲線( N m=C 得到,據(jù)文獻2 N =Cki =1a i S mi(3式中, N 為平均疲勞壽命;C 為50%存活率的P S N 曲線常數(shù),這里參考了B S5400的實驗常數(shù).因為結構疲勞壽命近似服從對數(shù)正態(tài)分布,所以對數(shù)形式的疲勞壽命服從正態(tài)分布,故可用標準正態(tài)分布公式求得可靠性系數(shù)Z R =lg N R -lg N lg N(4因此不同可靠度下疲勞壽命N R 的計算公式據(jù)文獻

8、2可由下式得到:N R =lg -1Z Ra 0-b 0mlgk i =1a i S mi-lgCk i =1a i S mi(5式中,a 0,b 03分別是與材料和接頭形式有關的材料常數(shù).3.2概率模型的修正式(5中的參數(shù)a 0,b 0是與機械零件的疲勞壽命有關的常數(shù),必須通過對所分析的材料和焊接細節(jié)進72東南大學學報(自然科學版第31卷行實驗來得到.在現(xiàn)有條件下,不可能對青馬大橋所用的結構鋼及其構件細節(jié)進行實驗.因此,這里采用了根據(jù)上述用BS5400的計算結果來反演所需參數(shù)的方法.為使此概率模型適合于橋梁疲勞壽命的評估,將利用式(5計算得到的失效概率為31%的橋面疲勞壽命和利用BS5400

9、計算得到的相同失效概率下的疲勞壽命相比較,從而得到適合于橋梁結構的參數(shù)a 0,b 0.當m =3,C =1.23×1012,失效概率為31%時,Z R =0.49583,試取a 0 b 0=2.67,可用式(5計算的疲勞壽命.表32種方法計算得到的橋面疲勞壽命的比較失效概率/%Z R 用BS5400計算得到的疲勞壽命N R /a用修正過的概率模型計算得到的疲勞壽命N R /a2.9900131130從表3的比較中可看出,利用修正過的概率模型計算得到的不同失效概率下的橋梁構件細節(jié)的疲勞壽命和利用BS5400中的參數(shù)結果所得到的疲勞壽命吻合,因此本模型具有一定的實用價值,可用來評估不同失

10、效概率下橋梁的疲勞壽命.而且,用本模型可以計算在表3中所列失效概率以外的其他失效概率下的疲勞壽命.4結語本文主要是利用了結構健康監(jiān)測系統(tǒng)所記錄的應變時程曲線對橋面的疲勞壽命作出可靠性的評估.選取若干天的應變時程曲線,通過統(tǒng)計分析得到其標準樣本,認為該橋上所有的應變循環(huán)都是這個標準樣本的重復,并利用雨流計數(shù)法,得到3d 的標準樣本的應力幅譜.在對橋梁結構細節(jié)的疲勞壽命進行可靠性評估時,首先利用英國規(guī)范BS5400對橋梁在不同失效概率下疲勞曲線各參數(shù)的實驗結果,計算得到不同可靠概率下橋梁的疲勞壽命.然后對已有的概率模型參數(shù)進行修正,得到適合橋梁疲勞壽命評估的概率模型.計算結果表明利用修正過的概率模

11、型計算得到的不同失效概率下的橋面疲勞壽命和利用BS5400實驗結果所得到的疲勞壽命吻合,因此本模型具有一定的實用價值.感謝香港特區(qū)政府路政署為本項研究提供了寶貴的實測數(shù)據(jù)和有關的圖紙資料.參考文獻Reliable Evaluation of Bridge Fatigue LifeBased on Structural Health Monitoring SystemZheng Rui Li Zhaoxia(College of Civil Engineering ,Southeast University ,Nanjing 210096,China A bstract :In order to

12、 use strain -time curve recorded by the structural health monitoring system to reliably evaluatethe fatigue life of bridge structure .Strain -time cur ves of several days are selected ,a representative block of cycles is obtained by statistical analysis ,and it is believed all strain cycles in the b

13、ridge are repeats of the representative block of c ycles .The str ess spectrum of the representative block of cycles is obtained by rain -flow counting method .When the fatigue life of bridge -deck section details is reliably evaluated ,a modified probability mode suitable for bridge fatigue evaluation is obtained through using the standard cl