陳 鵬

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

當(dāng)前，正交異性鋼板在水利工程支洞交通鋼橋中得到青睞，在許多水利工程引水支洞中得到應(yīng)用[1- 3]，當(dāng)鋼板交通橋外部荷載大于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力荷載時(shí)，其鋼體結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性。為此對(duì)交通鋼橋的疲勞荷載進(jìn)行合理確定是對(duì)鋼橋在規(guī)定使用年限內(nèi)抗疲勞性能是否滿足鋼橋設(shè)計(jì)要求的前提條件。對(duì)于鋼橋疲勞荷載的計(jì)算主要采用單一荷載的方式進(jìn)行疲勞荷載試驗(yàn)[4- 7]，而忽略鋼橋隨機(jī)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的總體影響，存在一定的局限性。近些年來(lái)，基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的Monte-Carlo方法通過(guò)生成隨機(jī)荷載，在正交異性鋼板的疲勞靜載試驗(yàn)中得到不同程度的應(yīng)用[8- 10]，應(yīng)用效果明顯好于傳統(tǒng)疲勞荷載試驗(yàn)方法。為此，本文引入的Monte-Carlo方法，以水利工程中引水支洞交通鋼橋?yàn)檠芯抗こ虒?shí)例，結(jié)合該方法對(duì)交通鋼橋的疲勞荷載進(jìn)行試驗(yàn)分析。

1 引水支洞交通鋼橋疲勞荷載

Monte-Carlo方法主要生成隨機(jī)荷載來(lái)模擬引水支洞交通鋼橋的疲勞荷載，使用Monte-Carlo方法關(guān)鍵在于建立實(shí)際與概率分布之間的聯(lián)系，其隨機(jī)試驗(yàn)方程為：

(1)

式中，π—置信水平，為0.9；x、α—分別為獨(dú)立的隨機(jī)變量；l—區(qū)間范圍最大值，具體計(jì)算時(shí)為鋼橋的最大荷載。

在隨機(jī)荷載生成的基礎(chǔ)上，本文選用非線性疲勞損失方法來(lái)分析其疲勞荷載，非線性疲勞損傷將鋼橋分為3個(gè)部分進(jìn)行分析，第一個(gè)分區(qū)為斷裂臨界點(diǎn)階段，其疲勞因子計(jì)算方程分別為：

da/dN=C[(ΔK)m-(ΔKth)m]

(2)

第二個(gè)分區(qū)為疲勞穩(wěn)定擴(kuò)展階段，其疲勞因子計(jì)算方程為：

da/dN=C(ΔK)m

(3)

第三個(gè)分區(qū)為結(jié)構(gòu)接近裂韌，屬于疲勞加速階段，其疲勞因子計(jì)算方程為：

(4)

式中，ΔK—應(yīng)力的強(qiáng)度因子的變幅；α—鋼體裂紋的深度，mm；N—荷載反復(fù)試驗(yàn)次數(shù)；da/dN—鋼橋裂紋擴(kuò)展的長(zhǎng)度，mm；C、m—與鋼體材料環(huán)境相關(guān)的參數(shù)；R—鋼體結(jié)構(gòu)應(yīng)力比系數(shù)；KC—鋼體環(huán)境應(yīng)力強(qiáng)度因子；Kth—應(yīng)力強(qiáng)度最小值。

在分區(qū)疲勞因子確定的基礎(chǔ)上，需要對(duì)裂紋擴(kuò)展程度進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算方程為：

a=a0+(af-a0)(n/Nf)af

(5)

式中，Nf—應(yīng)力變幅值σ經(jīng)過(guò)Nf次結(jié)構(gòu)疲勞破壞次數(shù)；a0—初始裂紋深度，mm；af—發(fā)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力斷裂時(shí)的裂紋深度，mm；n—應(yīng)力幅值作用的次數(shù)；af—經(jīng)驗(yàn)相關(guān)系數(shù)，其計(jì)算方程為：

(6)

2 工程概況

支洞交通橋工程位于本溪市桓仁縣古城鎮(zhèn)下花園村附近內(nèi)，橋面布置為單幅橋，全寬6m，工程現(xiàn)場(chǎng)施工圖如圖1所示。設(shè)計(jì)荷載為Ⅰ級(jí)；地震烈度為7度；橫坡為雙向1.5%。設(shè)計(jì)車速40km/h，設(shè)計(jì)洪水頻率為1/50。橋型結(jié)構(gòu)為正交橋，上部結(jié)構(gòu)采用16m跨徑的預(yù)應(yīng)力鋼絞混凝土空心板，下部結(jié)構(gòu)采用直徑1.0m的單柱式橋墩，樁柱變徑處加系梁，基礎(chǔ)為直徑1.2m的樁基，樁橫向間距為3.2m，縱向間距為16m。橋臺(tái)采用輕型橋臺(tái)，樁基礎(chǔ)為單排樁，樁徑1.2m，樁基深入巖面下1.0m，橋全長(zhǎng)153.0m，橋面連續(xù)，采用3孔一連，橋面凈寬6.0m(防撞墻)。墩臺(tái)支座采用平板式橡膠(TCYB)支座。本文結(jié)合靜載試驗(yàn)的方式，對(duì)鋼橋整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，鋼橋結(jié)構(gòu)有限元模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 工程現(xiàn)場(chǎng)施工圖

圖2 鋼橋正交異性鋼板結(jié)構(gòu)有限元模型結(jié)構(gòu)圖

3 疲勞荷載試驗(yàn)結(jié)構(gòu)

3.1 應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算值

結(jié)合有限元模型，采用反復(fù)荷載試驗(yàn)的方法對(duì)引水橋洞正交異性鋼板結(jié)果的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，鋼橋中板和邊板的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1—2。

表1 邊板應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算值

表2 中板應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算值

從表1和表2中均可看出，鋼橋中板和邊板的理論值和實(shí)際值吻合度均較高，其誤差在5%以內(nèi)。隨著鋼筋比例的逐步增加，其應(yīng)力比幅度也逐步增加，中板應(yīng)力強(qiáng)度幅度變化要小于邊板的應(yīng)力幅度，這主要是因?yàn)殇摌虿捎谜划愋凿摪寮夹g(shù)，使得鋼橋邊板的應(yīng)力強(qiáng)度小于中板的應(yīng)力強(qiáng)度。

3.2 鋼橋疲勞設(shè)計(jì)曲線

結(jié)合非線性疲勞計(jì)算方法以及Monte-Carlo方法生成隨機(jī)荷載，在隨機(jī)荷載的基礎(chǔ)上對(duì)鋼橋邊板和中板的疲勞設(shè)計(jì)曲線進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表3—4，如圖3所示。

表3 鋼橋邊板疲勞設(shè)計(jì)曲線

表4 鋼橋中板疲勞設(shè)計(jì)曲線

圖3 交通鋼橋疲勞荷載設(shè)計(jì)曲線

從表3—4中可知，隨著鋼橋邊板和中板的荷載循環(huán)次數(shù)的不斷增加，鋼橋中板和邊板的抗疲勞性能指數(shù)不斷減小，對(duì)于鋼橋邊板而言，當(dāng)循環(huán)次數(shù)為1000次時(shí)，其應(yīng)力變幅為2481MPa，而當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到6億次后，其抗疲勞性能達(dá)到最低，鋼橋易出現(xiàn)斷裂，而對(duì)于中板而言，其變幅要小于邊板，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到6億次后，其應(yīng)力變幅為113MPa，高于邊板的應(yīng)力變幅。而從圖3中也可看出，鋼橋中板的疲勞設(shè)計(jì)曲線的變幅率要高于邊板的疲勞設(shè)計(jì)曲線的變幅。

3.3 常幅疲勞荷載下正交異性鋼橋疲勞性能分析

在常幅疲勞荷載下，分析正交異性鋼橋的疲勞強(qiáng)度，結(jié)果見表5，并統(tǒng)計(jì)分析了不同方法下鋼橋正交異性鋼板常幅疲勞計(jì)算結(jié)果，結(jié)果見表6。

表5 鋼橋總體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度 單位：MPa

表6 鋼橋正交異性鋼板常幅疲勞計(jì)算結(jié)果

從表5中可發(fā)現(xiàn)，腹板與總腹板焊接處變幅疲勞極限最大，達(dá)到43次，而邊板與中板焊接處的變幅疲勞極限最小，為29次，比較容易出現(xiàn)疲勞斷裂情況。腹板與總腹板焊接處變幅疲勞強(qiáng)度也最大，因此需加大引水鋼橋腹板與總腹板焊接處的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。從表6中可看出，采用新方法下，各檢驗(yàn)部分的疲勞應(yīng)力減少比例大幅降低，降低比例在36.93%～53.43%之間。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)采用Monte-Carlo方法設(shè)計(jì)的鋼橋設(shè)計(jì)疲勞曲線與我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范通用疲勞設(shè)計(jì)值較為接近，可以用該方法來(lái)進(jìn)行正交異性鋼橋的疲勞荷載設(shè)計(jì)計(jì)算。

(2)通過(guò)對(duì)引水支洞交通鋼橋的試驗(yàn)分析，最為疲勞的區(qū)域在腹板與總腹板焊接處。

(3)新方法下的疲勞應(yīng)力減少比例明顯，在今后的設(shè)計(jì)中還需要對(duì)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，提高鋼體材料的穩(wěn)定性。