基于结构健康监测的公路钢桥疲劳可靠度评估方法研究

摘要

钢桥构件在长期、反复的车辆荷载作用下，常出现疲劳损伤并逐步累积，并往往会在没有明显征兆的情况下引发断裂破坏。随着钢桥服役年限和交通运输量的增长，钢桥的疲劳破坏问题已逐渐得到桥梁管理部门和国内外学者的广泛关注。本文基于桥梁结构健康监测数据，对大跨钢桥的疲劳可靠度评估方法进行了探讨，并进行了算例分析，完成的主要工作如下：
　　 (1)介绍了疲劳可靠度分析中的一些基本理论与方法，并对现有方法的适用性进行了讨论。
　　 (2)介绍了基于S-N曲线和应力监测数据的疲劳可靠度分析方法，并利用对数正态概率密度函数对实测的有效应力幅分布进行了拟合，以考虑等效应力幅的不确定性。结合美国AASHTO规范中相关细节分类规定，建立了各类连接细节的疲劳可靠度计算公式，并考虑了交通量增长的影响。采用该方法，对美国纽约Throgs Neck桥引桥关键细节进行了疲劳可靠度评估。分析结果表明，所研究的几个细节均具有较高的疲劳可靠度，但这些细节的疲劳可靠度指标随其服役年限的增加下降较快，尤其是车流量增长较大时，下降尤为明显。
　　 (3)提出了基于线弹性断裂力学(LEFM)和应力监测数据的疲劳可靠度评估方法。尽管基于S-N曲线的疲劳分析方法简单易行，但该方法通常无法考虑既有的缺陷情况，而这些缺陷(开裂)信息有时可以通过检测手段获得。为此，本文以美国匹兹堡Fort Duquesne桥中的若干关键连接细节为对象，对基于LEFM和应力监测数据的疲劳可靠度分析方法进行了探讨。针对背衬条(backing bar)中的初始缺陷，采用断裂力学方法，将其转化为表面裂纹，并通过裂纹的扩展计算该细节的剩余疲劳寿命。分析结果表明，由于背衬条细节的应力幅较小，并且有效应力循环的次数也较低，故该细节在其服役年限内发生疲劳破坏的概率极低；而对于桥墩-基础的焊接细节，计算中发现其疲劳可靠度指标已低于目标可靠度，故应及时采取加固措施以保证该桥的通行安全。
　　 (4)考虑到桥梁结构健康监测的成本较高以及应变测点布置的局限性，本文结合车辆的动态称重数据(WIM)，提出了一种基于概率有限元分析的疲劳可靠度评估方法。根据实测的WIM数据，对车辆荷载进行了统计分析，建立了车辆类型、横向分布、轴重、轴距的概率分布模型。利用有限元分析软件ANSYS建立了Throgs Neck桥引桥的数值模型，并根据实测应力数据对模型进行了校核。在此基础上，编制概率有限元程序，通过抽样、加载和有限元分析，提取关键部位在随机车辆荷载作用下的应力幅，并据此进行疲劳可靠度评估。该方法为复杂钢桥细节的精细化疲劳评估提供了一种可行的分析工具。