文摘

一个稳定的流量增长已经对现有桥梁的疲劳安全构成威胁。不确定性在交通流量增加一个准确的疲劳安全评估的挑战。本文利用随机交通负荷模型来评估正交异性钢桥的疲劳可靠性甲板。交通荷载模型模拟特定站点动态测量。响应面方法提出了解决耗时的问题引起的热点应力模拟有限元模型。应用概率随机交通荷载模型的建模和疲劳可靠性评估的案例研究演示了钢制箱梁桥。数值结果表明,车辆总重导致的增长率迅速下降的疲劳可靠性相比,交通量增长。尽管交通量增长迅速,控制交通量的重载卡车相比是一种有效的方式,以确保钢桥的疲劳安全。

1。介绍

疲劳损伤累积的一个至关重要的问题导致大多数钢桥的倒塌。根据评估委员会进行的一项研究[1),约80 - 90%的钢桥的失败是由于疲劳和断裂问题。一般来说,fatigue-critical组件的钢桥设计有足够的抗疲劳强度和疲劳寿命对循环车辆负载(2- - - - - -4]。然而,稳步提高交通量和车辆总重量(总),由于快速增长和扩张城际和州际公路运输的发展,提出了现有桥梁的疲劳安全的威胁(5,6]。在交通流的不确定性导致的另一个挑战,一个准确的疲劳损伤评估。fatigue-critical组件的大多数公路钢桥焊接接头在甲板,在应变传感器难以固定。因此,疲劳可靠性评估大桥正交的考虑真正的交通负荷仍然是一个挑战。

疲劳可靠性的一个关键步骤的评估桥梁疲劳应力范围的概率建模。在这方面,大多数研究人员利用应变测量在结构健康监测系统(SHM)进行统计分析(7- - - - - -9]。然而,应用单孔位微吹气扰动系统受限于其昂贵的成本和有限的指定目标。随着传感器技术的发展,站点特定的动态称重(WIM)系统,这是最初为交通管理开发,已被广泛用于交通负荷的统计分析10]。因此,整合位点专一的WIM测量和有限元(FE)方法成为在职桥梁的实际疲劳可靠性评估方法。众多分析方法已经提出了关于这一主题的。例如,王et al。11)开发了一种计算框架来评估钢箱梁桥的疲劳损伤增量结合有限元计算和单孔位微吹气扰动数据。郭et al。12)利用多尺度概率有限元模型来评估一个正交异性钢桥的疲劳可靠性甲板上。Zhang et al。13)利用等效正交各向异性材料的方法来模拟动态加载在有限元模型中。你们et al。14]研究元素的灵敏度大小和元素类型在计算车辆荷载下的结构应力。张和盟(15)提出了一个先进的概率负荷模型来模拟货车荷载WIM测量基础上的一座桥上,然后评估疲劳可靠性和桥的剩余使用寿命。正如上面阐述的,整合交通数据监测和FE-based数值模拟是一种有效的方法对钢桥疲劳可靠性评估。

交通负荷建模是关键过程集成WIM测量和有限元方法对钢桥的疲劳可靠性评估。国家设计规范中指定的典型疲劳货车荷载模型和一些先进的货车荷载模型是传统的在文献[16]。在这方面,拉曼和诺瓦克17基于WIM)开发了一种纵然货车荷载模型测量。Chotickai和鲍曼18)开发了一种4-axle货车荷载模型和表示,AASHTO货车荷载模型可以明显高估了短桥。局域网et al。19结合交通载荷谱和交通量预测桥梁的疲劳损伤演化。陈等人。20.)利用实际流量负载评估拱桥的疲劳性能。除了车的配置说明,登车桥相互作用引起的动态效应也会影响疲劳应力谱(21]。自从交通参数(例如,车辆类型、车速、车辆间距,和以上)在本质上是随机的,所有卡车的统计信息不包括在上述货车荷载模型。因此,随机交通负荷模型是必要的准确估计疲劳损伤积累。然而,最好的作者的知识,大多数相关研究成果对随机交通荷载模型都集中在登车桥相互作用分析(22,23),而研究随机交通负荷模型应用到钢桥疲劳可靠性评估的相对不足。

本研究旨在开发一种基于特定站点WIM随机交通荷载模型测量评估疲劳可靠性正交异性钢桥甲板。计算框架整合FE-based确定性热点应力的模拟和概率模型应力范围。在案例研究中,选择了钢制箱梁桥作为一个原型演示应用程序的有效性的随机疲劳卡车负载模式。随机货车荷载模型中的参数对疲劳可靠性指数调查。

2。随机交通荷载模型

一般来说,疲劳货车荷载模型,其中包含确定的配置和轴负载,用于表示特定站点的交通负荷。疲劳货车荷载模型评价通常是通过真实的交通基于当量载荷谱疲劳损伤累积标准。然而,由于确定性配置和轴载荷,疲劳载荷模型未分配用于疲劳损伤累积概率建模。,随机交通基于WIM测量存在的负荷模型来模拟真实的交通流量和随后的钢桥的疲劳可靠性评估。

2.1。WIM测量

流量测量用于目前的研究源于WIM系统的公路大桥在四川,中国。WIM系统的更多信息,可以发现刘et al。24和陆等。25]。过滤过程进行了消除无效的数据。的标准识别无效数据个人总小于30 kN;轴的重量大于400 kN或小于5 kN;和轴间距大于20米。概述的有效的数据如表所示1。

WIM测量,统计分析的第一步是车辆类型分类。根据车辆配置,所有车辆分为6个类型如表所示2。可以看出大约60%的过滤车辆2-axle卡车和轻型汽车。此外,约90%的重型卡车驾驶在缓慢的交通车道上,而更多的轻型卡车容易驾驶的快速交通通道。这种现象交通组成的钢桥的疲劳可靠性的影响。

6-axle卡车作为一个例子,直方图和概率密度函数(PDF)的车辆总重图所示1,在那里,,参数的高斯混合模型(GMM)。个人之间的线性回归函数轴荷和以上图所示2。假设个体轴重量串联和三联桥都是相同的。

2.2。随机交通负载模拟

一般来说,随机交通模型被定义为车辆类型、车辆速度、车辆缺口,驾驶,车辆重量(26]。为目的的疲劳分析在目前的研究中,提高了随机交通模型,考虑的参数结构疲劳损伤的重要贡献。有效应力影响线正交异性钢桥面通常是在两个膜片约3.2米(27- - - - - -29日所示),将案例研究。因此,车辆类型和驾驶车道以及轴重量选择建模随机货车荷载。所选的参数主要有两个原因。首先,车辆间距是排除在外,因为两辆卡车在同一个行车道车辆差距通常是大于有效应力影响线。此外,考虑车辆的间距会增加计算工作时间逐渐融合的瞬态分析。第二,轴间距以及驾驶车道被认为是在车辆配置,因为两轴间距和两个车道的距离接近了有效应力影响线。最后,驾驶速度被视为一个常数考虑动态效果。此外,车辆总不到30 kN被忽略了,因为这些车辆疲劳损伤几乎没有贡献。正如上面阐述的,随机交通负荷模型是由三个随机变量包括车辆类型、车轴重量,驾驶车道。

PDF的上述三个参数中,随机交通负荷模型可以建立的蒙特卡罗模拟。卡车平均每日流量的线性生长因子(ADTT)体积被认为是0.5%。模拟随机交通负荷模型在60分钟图所示3。注意个人以上是用来代替轴重量为方便表达。

如图3规定,每个点是指一辆卡车一个不同的标记风格,设在显示了到达时间设在显示了个人以上。观察到每个个体卡车是不同的,但是他们遵循一个相对概率分布。因此,随机疲劳货车荷载的统计模型包含WIM测量。

3所示。方法

3.1。理论基础

因为每个路过的车辆会导致桥疲劳应力块甲板,疲劳应力块是时变和amplitude-variant。有两个方面需要进一步考虑truck-induced疲劳损伤积累。首先,曲线应考虑压力和高属性的确定truck-induced疲劳应力块。第二,类别的焊接接头应包含在曲线。Eurocode 3规范(30.)是利用在这项研究中,因为全面考虑上面的属性说明。的一般形式曲线Eurocode 3规范 在哪里是疲劳应力范围内,是压力的循环次数,和是约束振幅疲劳阈值和变量振幅疲劳阈值,分别和和是压力范围的细节系数高于和低于,分别。

值得注意的是,曲线只能用于等幅疲劳块。然而,truck-induced疲劳应力范围amplitude-variant是由于交通荷载的随机性。因此,一个等效应力范围在本研究方法是利用基于矿工的疲劳损伤累积理论(31日),这是写成 在哪里疲劳损伤积累;和是大于和小于疲劳应力范围分别;和压力循环的数量吗和分别;和和是等效疲劳应力范围和等效应力的循环次数,分别。请注意,假设个体货车荷载下轴的数量。根据(2),在一个单独的货车荷载可以写成

压力频谱在日常交通流可以由重复的分析每一个卡车通过。除了疲劳应力谱,横向分布系数卡车桥面和交通量将影响疲劳损伤积累。桥梁在长期服务期间,ADTT和个人以上会增加由于全球经济发展。考虑上述所有参数,极限状态函数(LSF)的疲劳损伤累积是写成 在哪里(年)服务的一座桥,是一辆卡车的横向分布系数在行车道潜水,ADTT的数量,的比例吗车辆类型的数据库,是一个线性ADTT的年增长率,然后呢是一个线性以上的年增长率。

3.2。提出了计算框架

内核程序连接上述随机交通荷载模型的疲劳极限状态函数的概率建模疲劳应力范围。有三个步骤评估疲劳损伤积累的传统方法32]。首先,模拟压力fatigue-critical点移动货车荷载下的历史。第二,历史上转化为应力块利用雨流法。过分讲究的,个人疲劳损伤评估曲线和累积的矿工的规则。然而,这个框架为随机货车荷载是不合适的,因为计算机运行耗时的问题造成大量的重复。因此,提出了一种计算框架的概率建模。

为了解决time-confusing问题,响应面方法(RSM),后者通常被用作元模型,利用此来代替有限元模型。响应面函数描述车辆车轴重量之间的关系和等效应力范围内是近似的。流程图描述整个过程的总结在图4。有两个主要程序包括近似响应面函数和等效应力范围的概率建模。

3.2.1之上。近似响应面函数

因为每个卡车通道将带来几个压力块由于multiaxle和动态效果,轴负载和等效应力之间的关系是复杂的。统一的集成设计(UD)和RSM,这是常用的结构可靠性评估(33),利用此近似轴重量之间的隐函数和等效应力范围。因为有6个类型的车辆,总数6功能对于整个卡车是必要的。首先,总应该确定的上界和下界,然后生成定义中的几个均匀分布样本地区通过均匀设计(UD)方法(34,35]。随后,进行有限元分析来评估个体卡车通道下的应力历史,然后压力历史转换成压力块通过雨流法。因此,variant-amplitude应力块转化为等幅应力块。这里,输入和输出样本。响应面函数对车辆类型可以与上述近似UD样本。

3.2.2。基于GMM的概率建模

与近似响应面函数,概率建模能有效地进行。概率建模的目的是建立一个概率模型的等效应力范围。在实践中,等效应力范围的PDF是复杂的,可能不是由典型的高斯分布或对数正态分布函数。为了解决这个问题,一个高斯混合模型(GMM) [35在目前的研究)是利用。GMM是有限的一部分混合分布,通常用于建模复杂的概率分布和启用随机变量的统计建模和多通道的行为。PDF的有限混合分布与独立的标量写成 在哪里是预测混合物密度函数和是一个给定参数的预测组件密度,是th组件的重量,和是一个组件的参数。例如,以高斯函数作为给定预测组件密度,GMM写成 在哪里和的平均值和标准偏差吗混合参数。GMM提供一个以上的pdf文档之间的联系和等效应力范围。

4所示。案例研究

节段钢铁箱梁桥是利用此作为原型演示应用程序的特定场域随机疲劳货车荷载模型疲劳可靠性评估。影响参数的可靠性指数随机交通负荷模型进行了探讨。

4.1。原型桥

原型桥是一个钢铁箱梁桥在四川,中国。有四个车道在相反的方向。半截面尺寸和U-rib图所示5。

一个有限元模型如图6ANSYS是建立在一个商业项目。在有限元模型中,纵向,横向,最后和垂直长度是12.8米,15 m,分别和3 m。甲板和U-ribs网状与四边形元素,而纵向加劲板,隔膜板,和网络板块是网状三角元素。

4.2。统计数据的变量

这些变量的概率建模所示(3)是一个关键的任务进行随后的可靠性评估。临界疲劳损伤指数和耐疲劳强度系数的假定遵循对数正态分布(36]。卡车轴的横向分布系数都要遵循正态分布均值为0.3,变异系数(x) 1。基于上述假设,LSF中的变量的统计数据,如表所示3。以U-ribs rib-to-deck关节和对接为例,确定参数中指定Eurocode显示在表3规范4。

除了这些参数,等效应力范围内,,和相应的数量的周期,,造成的实际流量,主要是影响桥梁疲劳损伤积累。他们的概率模型在随机疲劳卡车通道将分别讨论如下。

4.3。概率建模

为了观察的特点truck-induced应力历史、应力影响线两种焊接接头的计算。图7情节的静态应力影响线焊接接头的节段模型。观察,有效应力影响线主要是局限于two-diaphragm板的区域。这表明轴间距和车辆配置的意义在随机货车荷载模型。

为了考虑路面的效果,在有限元模型没有考虑轴重量与垂直均匀分布荷载模拟,延伸到钢甲板45°。例如,路面的厚度是6.7厘米,后轮的负载面积是60厘米×20厘米;然后修改后的负载面积是73.4厘米×33.4厘米。的最大和最小的车重6-axle卡车作为一个例子,rib-to-deck接头的应力历史图所示8。

从图观察8应力幅值是变体和峰值出现卡车轮子移动到焊接接头。以2-axle卡车为例来说明应用程序的框架,训练数据的总数是20。电脑运行20次后得到等效应力范围和响应面函数建立了如图9。值得注意的是,6-axle卡车需要30个训练样本,因为有三个随机变量轴负载6-axle卡车。

如图9,设计样品统一在设计空间和近似响应面封闭训练数据。此外,该近似函数是非线性的,响应面近似是合适的。函数近似SVR的每种类型的车辆,焊接细节的疲劳应力范围下的rib-to-deck日常交通流可以计算和相应的概率密度可以用GMM方法近似。可以获得日常压力的循环次数和概率密度可以计算根据ADTT的概率密度。注意压力的循环次数相当于车辆轮轴的数量。压力的循环次数的概率密度在100天内图所示10。

这可以从图中找到10有两个峰值的概率密度的应力范围以及安装与正态分布相比GMM模型。此外,疲劳应力范围光谱包含更多的高压力的周期。每日的循环次数的概率密度近似正态分布。正如上面阐述的,概率模型的应力范围和数量的周期上面建立后续疲劳可靠性评估提供依据。

4.4。疲劳可靠性评估

概率模型的疲劳应力范围内,可以将疲劳可靠性评估考虑桥的服务期。在实践中,交通量和车辆的重量会增加随着社会经济的发展。假设年以上和ADTT是常数的线性增长范围从0 - 0.5%。在此基础上,疲劳可靠性指标如图11,在那里表明ADTT的增长率表明以上的增长率。

它是观察从图11这两个和导致可靠性指数的快速下降。假设ADTT和以上的增长率是0.5%,疲劳可靠性指数在100年下降到2.87和0.92,分别。这些曲线证明了以上增长导致更高的可靠性指数减少ADTT相比增长。在实践中,这一现象可以解释为极限状态函数所示(4),以上有五大影响疲劳损伤。显然,卡车超载是造成的主要原因的主要桥梁的疲劳损伤。因此,控制重载卡车而不是体积的流量是一个有效的方式,以确保正交异性钢桥的疲劳安全甲板。

由于重载卡车的主要因素导致正交异性钢桥面板的疲劳失效,过载率对疲劳可靠性的影响值得研究。根据中国规范(37),以上的门槛2-axle和6-axle卡车200 kN, 550 kN,分别。在目前的研究中,阈值过载率为25%,50%,75%,100%。基于上述假设,随机交通流负载模型更新定义阈值过载率。影响阈值的过载率的疲劳可靠性rib-to-deck联合在第100年如图12。

它是观察从图12阈值过载率有效对疲劳可靠性指数的影响。即使对于一个阈值为100%,疲劳可靠性指数有明显的增加。然而,这些曲线之间的间距是降低门槛的降低过载率。这表明可靠性指数ADTT增长的影响削弱了严格的过载控制措施。除了可靠性指数的增加,阈值过载率降低了可靠性指数下降造成的ADTT增长。这一结果表明,尽管交通量增长迅速,超载的卡车是一种有效的控制方法,确保钢桥的疲劳可靠性。

5。结论

本研究开发了一种基于特定站点WIM随机疲劳卡车模型测量评估疲劳可靠性正交异性钢桥甲板。有限元素的耗时问题热点应力模拟解决了利用响应面方法。随机疲劳卡车模型的有效性在概率建模和疲劳可靠性评估的案例研究证明了钢节段箱梁桥。数值结果表明,总导致快速的增长率降低的可靠性指标相比,可靠性指标降低ADTT增长造成的。阈值过载率降低了下行ADTT造成的可靠性指数增长的范围。此外,尽管交通量增长迅速,控制交通量的重载卡车相比是一种有效的方式,以确保钢桥的疲劳安全。

未来需要努力改进的随机疲劳货车荷载模型考虑到车辆间距参数。登车桥相互作用和道路表面粗糙度的变性条件将被认为是在计算框架。此外,结构的几何尺寸和材料特性的不确定性也将被认为是在未来的工作。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者想表达他们的感谢中国国家基础研究计划(973计划)(没有。2015 cb057705),中国国家科学基金会(没有。51378081),土木工程的关键研究项目从长沙科技大学(15 zdxk06)。