基于结构健康监测系统的桥梁疲劳寿命可靠性评估

1、第31卷第6期2001年11月东南大学学报(自然科学版JOURNA L OF S OUTHE AST UNIVERSITY (Natural Science Edition Vol 131No 16Nov. 2001基于结构健康监测系统的桥梁疲劳寿命可靠性评估郑蕊李兆霞(东南大学土木工程学院, 南京210096摘要:时程曲线进行桥梁结构疲劳寿命的可靠性评估. 时程曲线, 通过统计分析得到其标准样本, 认为该桥上所有的应变循环都是这个标准样本的重复; 利用雨流计数法, 得到标准样本的应力幅谱. 在对桥面结构细节的疲劳寿命进行可靠性评估时, 利用BS5400关于桥梁构件细节的标准分类结果对已有的概

2、率模型进行修正, 得到适合于桥梁疲劳寿命可靠性评估的概率模型.关键词:结构健康监测系统; 疲劳寿命; 可靠性; 概率模型中图分类号:O346. 5文献标识码:A : 03收稿日期:2001205209. 作者简介:郑蕊, 女, 1975年生, 硕士研究生.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50178019 ., , 桥梁结构的耐久性主要是由桥梁关键构件的疲劳性所决定的. , 从而可对桥梁的疲劳损伤作出估计, 并对其疲劳寿命作出可靠性预测.1应力幅数据来源及整理1. 1青马大桥健康监测系统青马大桥总长2. 2km , 主跨1. 377km , 是世界上最长的公路、铁路两用悬索桥. 桥面分为2层

3、, 上层为高速公路, 下层主要为铁路. 构造上, 青马大桥的桥面部分是桁架和箱形结构的混合结构.青马大桥的结构健康监测系统永久性的安装了265个传感器. 桥梁结构是由许多板、梁和杆件通过焊接、铆钉和一些其他方式连接构建而成的. 桥梁中的疲劳裂缝可能会出现在这些连接处. 因此, 桥梁结构的构件细节是疲劳分析的主要部分. 根据Flint 和Neill Partnership 关于桥梁结构各个不同部位的构件的危险程度和薄弱等级的评述, 最危险的部位是那些承受高速公路交通载荷且位于最外层车道的部位. 因此, 作者选取这样的关键部位之一SST LN 01(位于外层纵向桁架的上弦杆 来说明如何进行疲劳损伤

4、的统计分析. 1. 2应力幅频为了能够获取真实而完整的能代表各种应力范围及其各自频率的数据, 需要一段足够长的数据记录时间. 对于高速公路的监测,2d 或3d 的过程被认为是能满足以上要求的. 因为桥梁疲劳主要是高周疲劳, 结构中的循环应力都在比例极限以内, 因此可用公式=E 计算相应的应力.应用雨流计数法, 筛去非敏感区以内的应力幅, 得到名义应力幅谱. 由于利用SST LN 01所记录的应变数据计算得到的应力幅只是相关构件的名义应力, 而疲劳累计实际上是发生在构件的焊接细节处. 为了得到位于应变计附近焊接细节处危险点(一般是焊趾处 的实际应力, 可以将名义应力用几个系数加以修正, 如S =

5、K w K d K g S n 1(1 式中, S n 为应变计处的名义应力; K g 为由于考虑焊缝附近的几何不连续性而得到的应力集中系数; K d 为焊趾处的应力分布系数; K w 为由焊接过程引起的位于焊趾的残余应力和缺陷影响系数. 在最靠近应变计 表1SST LN 1附近焊趾处实际应力幅频实际应力S /MPaa i2. 352. 50×10-27. 054. 00×10-111. 744. 00×10-216. 441. 33×10-121. 142. 76×10-125. 831. 08×10-130. 536. 00

6、15;10-335. 234. 00×10-339. 926. 00×10-344. 624. 00×10-463. 414. 00×10-477. 504. 00×10-482. 19-4SST LN 01的焊缝处, 由于焊缝附近无明显的形状变化和几何不连续性, 所以选取K g =1; 根据对局部应力分析结果, 取K d =1. 14; 根据参考实验结果, 取K w =2. 06. 表1为按上述方法修正后SST LN 01附近焊趾处危险点的实际应力幅频.2不同失效概率下的疲劳寿命根据英国规范BS54003对桥梁在不同失效概率下疲劳曲线各参数的

7、实验研究, 可根据BS5400中的公式计算得到不同可靠概率下桥梁的疲劳寿命N 1ni =1a i S m i =K 0d(2式中, N 1为在变应力幅S i 作用下的失效循环数; a i 为第i 级应力幅的循环数和总循环数之比; S i 为第i 级应力幅; , K 0, m是和统计分析结果的50%概率(即平均寿命 相关的常数; ; d 是低于中线值的标准方差数.实验结果得到的疲劳寿命失效概率/%dN /a50. 000. 063031. 000. 548416. 001. 03722. 302. 02190. 143. 0130参阅BS5400对各细节类别的列表, 在应变计SST 焊接细节类别

8、为F 2, K 0=1. 23×1012, m 3. 0BS5400. 较大, 这是因为:, 各系数均选取了较小值;设计强度, 所以得到较长的疲劳寿命是合理的.3基于概率模型的疲劳寿命在前面的计算中, 只计算了5种失效概率下的疲劳寿命, 这是因为在BS5400的相应列表中, 只提供了根据实验结果整理出来的这5种失效概率下的计算参数. 为方便计算任何概率下的疲劳寿命, 作者对已有的概率模型2进行修正, 得到适合桥梁疲劳寿命评估的概率模型. 3. 1疲劳寿命的概率模型此模型2的思路是, 首先应用Miner 线性累积损伤理论进行平均寿命计算(Miner 损伤准则对于平均寿命的计算, 可靠程

9、度比较理想 , 再由疲劳寿命近似服从对数正态分布的假设, 得到不同疲劳寿命的可靠性系数.平均疲劳寿命可以由50%存活率的P S N 曲线( N m =C 得到, 据文献2 N =k i =1a i Smi(3式中, N 为平均疲劳寿命; C 为50%存活率的P S N 曲线常数, 这里参考了BS5400的实验常数.因为结构疲劳寿命近似服从对数正态分布, 所以对数形式的疲劳寿命服从正态分布, 故可用标准正态分布公式求得可靠性系数Z R =lg N -lgN lg N(4 因此不同可靠度下疲劳寿命N R 的计算公式据文献2可由下式得到:N R =lg -1Z Ra 0-b 0mlg ki =1a

10、iSm i- k i =1a iSm i(5式中, a 0, b 03分别是与材料和接头形式有关的材料常数.3. 2概率模型的修正式(5 中的参数a 0, b 0是与机械零件的疲劳寿命有关的常数, 必须通过对所分析的材料和焊接细节进27东南大学学报(自然科学版 第31卷行实验来得到. 在现有条件下, 不可能对青马大桥所用的结构钢及其构件细节进行实验. 因此, 这里采用了根据上述用BS5400的计算结果来反演所需参数的方法. 为使此概率模型适合于桥梁疲劳寿命的评估, 将利用式(5 计算得到的失效概率为31%的桥面疲劳寿命和利用BS5400计算得到的相同失效概率下的疲劳寿命相比较, 从而得到适合于

11、桥梁结构的参数a 0, b 0.当m =3, C =1. 23×1012, 失效概率为31%时, Z R =0. 49583, 试取a 0b 0=2. 67, 可用式(5 计算得到a 0=0. 4384, b 0=0. 1642. 表3是利用修正过的概率模式计算得到的不同失效概率下青马大桥桥面的疲劳寿命.表32种方法计算得到的桥面疲劳寿命的比较失效概率/%Z R用BS5400计算得到的疲劳寿命N R /a用修正过的概率模型计算得到的疲劳寿命N R /a31. 000. 495848448416. 000. 94603723722. 301. 99602212190. 142. 990

12、0131130从表3的比较中可看出, 利用修正过的概率模型计算得到的不同失效概率下的桥梁构件细节的疲劳寿命和利用BS5400中的参数结果所得到的疲劳寿命吻合, 因此本模型具有一定的实用价值, 可用来评估不同失效概率下桥梁的疲劳寿命. 而且, 用本模型可以计算在表3中所列失效概率以外的其他失效概率下的疲劳寿命.4结语. , , 认为该桥上所有的应变循环都是这个标准样本的重复, d ., 首先利用英国规范BS5400对桥梁在不同失效概率下疲劳曲线各参数的实验结果, 计算得到不同可靠概率下桥梁的疲劳寿命. 然后对已有的概率模型参数进行修正, 得到适合桥梁疲劳寿命评估的概率模型. 计算结果表明利用修正

13、过的概率模型计算得到的不同失效概率下的桥面疲劳寿命和利用BS5400实验结果所得到的疲劳寿命吻合, 因此本模型具有一定的实用价值.感谢香港特区政府路政署为本项研究提供了宝贵的实测数据和有关的图纸资料.参考文献1Li Z X , Chan T H T , K o J M. Fatigue analysis and life prediction of bridges with structural health m onitoring data part I :methodolo 2gy and strategy. Int J Fat , 2001,23(1 :45532吕澎民, 严隽耄. 焊接

14、转向架结构可靠性疲劳寿命预估方法研究. 兰州铁道学院学报,1995,14(3 :80863赵永翔, 张质文. 以可靠度观点确定起重机金属结构许用应力. 机械强度,1994,16(1 :6164R eliable Evaluation of B ridge F atigue LifeB ased on Structural H ealth Monitoring SystemZheng Rui Li Zhaoxia(C ollege of Civil Engineering , S outheast University , Nanjing 210096, China Abstract :In o

15、rder to use strain 2time curve recorded by the structural health m onitoring system to reliably evaluatethe fatigue life of bridge structure. Strain 2time curves of several days are selected , a representative block of cycles is obtained by statistical analysis , and it is believed all strain cycles

16、 in the bridge are repeats of the representative block of cycles. The stress spectrum of the representative block of cycles is obtained by rain 2flow counting method. When the fatigue life of bridge 2deck section details is reliably evaluated , a m odified probability m ode suitable for bridge fatigue evaluation is o