预应力混凝土箱梁桥疲劳可靠性分析.pdf
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1、4 4 世 界 桥 梁 2 0 1 1 年第 5 期 预应 力混凝土箱梁桥疲劳可靠性分析 赵大 亮 ( 中铁 第五勘察 设计 院集 团有 限公 司, 北京 1 0 2 6 0 0 ) 摘要 : 对于承受活荷载作用的桥梁 , 在一定反复荷载作用下结构会 发生疲 劳破坏 。为研究预应力混凝土结 构 的疲劳可靠性 , 以一座 5 跨先简支后连续部分预应力混凝土箱梁桥为例 , 从 概率分析的角度 , 将荷载横 向分布系 数和荷载增长系数视为随机变量 , 改变其标准差 , 研究其对结构抗弯 、 抗剪 2种失效模式疲劳 可靠性 的影 响。结果 表明 : 荷载横向分布系数和荷载增长 系数 的变异性 对结构可
2、靠性 的影响非常 明显 , 前者影 响更大 ; 在 相同情况下 , 抗弯失效模式 的失效概率大于抗剪失效模式的失效概率 ; 在载重较 大的荷载反复作用 下, 预应力 混凝土结构 的疲 劳可靠性较小 。 关键词 :箱粱桥 ; 预应 力混凝土结构 ; 疲 劳; 可靠性; 荷载参数 ; 分析 中图分类号 : U4 4 8 2 1 3 ; U4 4 1 5 文献标志码 : A 文章编号 : 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 0 4 4 0 4 1 前 言 铁路 桥梁 、 公 路桥 梁 等在 交变 荷 载作用 下 相继 发生疲劳失效事故 1 , 已经引起了各界的广泛关注
3、, 其疲劳破坏部位多为应力集中且应力复杂的部位, 涉及钢筋、 预应力筋及混凝 土等材料 。由于结构材 料 性能 固有 的离 散性 以及 荷载 的 随机 性 , 在 一定 反 复荷载作用下结构将会发生疲劳破坏。因此对于承 受活荷载作用的桥梁 , 在服役期间不仅需要研究其 极 限承载 能力 , 其 疲劳性 能也需要 研究 。 目前 国内 、 外 学 者主 要 针对 钢筋 混凝 土 结构 和 钢结构 的疲劳性能展开研究_ 2 j , 对预应力混凝土 结构 , 特别是 大跨 超静 定 预应 力 混凝 土 结构 的疲 劳 性能研 究较 少 。冯 秀锋等口 基 于实测 的钢筋混 凝土 吊车 梁疲劳 荷载谱
4、 , 对 部 分预 应 力混 凝 土简 支 梁进 行 了疲劳试 验 , 发 现所 有 预应 力 混凝 土 试验 梁 的疲 劳破坏均始于纯弯区段内某条主裂缝所在截面处普 通钢筋的疲劳断裂。Al a i n等L 9 研究 了在等幅循环 荷载作用下箱梁结构的裂缝疲劳性能。C 6 s a r 等 1 0 3 在考虑了交通状态、 温度效应以及不同的基础沉降 等的基础 上 , 基 于材 料 的 S N 曲线 和 Mi n e r 线 性 累积损 伤 准 则 , 研 究 了钢 筋 和 预 应 力 筋 的疲 劳 可 靠 性 。 在实 际工程 中 , 随机 性交变荷 载 占很 大 比例 , 幅 值大小不好控制
5、, 各级荷载作用下结构的损 伤很难 确定 , 而且结 构疲劳 寿命不 仅与加 载历程 、 循 环应力 的幅值大小 有关 , 还 与结构 材料 的组 成 、 结构 构件 的 制作 工艺和方 法 、 构 件质 量 等 多种 因素有 关 。在 一 定 的交变荷 载作用 下 结构 是 否破 坏 是不 可 预知 的, 因此对 结构 的疲劳 可靠性采 用概率 的方法进行 分析 研究 。 以一座 5跨先简 支后连续 的部分 预应力混 凝土 连续箱梁桥为例, 通过改变荷载增长系数和荷载横 向分布 系数 的标 准 差角 度 , 研究 荷 载增 长 系数 和 荷 载横向分布系数的变异性对结构抗弯和抗剪 2种失 效
6、模式可靠性的影响, 即改变作用在结构上的荷载 幅度 , 研究 在反 复变 幅荷 载 作用 下 预应 力 混凝 土 结 构抗弯 和抗剪失效 模式 的疲劳 可靠性 。 2结构构 件抗 力的统计 参数 2 1 混凝土强度的历时变化模型 混凝土 强度是 确定预应 力混凝 土构件抗 力 的最 主要 参数之 一 , 其 随 时间 变化 的规 律是 确定 钢 筋混 凝土结构构件时变抗力模型的基础。 牛荻涛等口 l _ 在总结国内、 外暴露试验和实测结 果的基础上, 利用统计回归方法提 出了服役结构 的 混凝土立方体抗压强度均值和标准差的历时变化模 型 , 见式 ( 1 ) 、 ( 2 ) 。 r( ) 一
7、r 1 3 7 8 l e 。 。 肚 一 ) ( 1 ) ( 纠 - - a 。 ( 0 0 3 4 7 +O 9 7 7 2 ) ( 2 ) 式 中, 。 、 。分别 为混凝 土 2 8 d立 方 体抗 压强 度 均值和标准差。 2 2 混凝 土强度 等级 的历时变化 模型 目前关 于混凝 土强度 等级 的历 时变 化模 型未 见 相关 研究 , 本 文根 据规 范 中混 凝 土轴 心 抗压 强 度 和 收 稿 E t 期 : 2 0 1 0 1 1 1 2 作者简介 : i ( 1 9 7 3 -) , 男, 高级工程师,1 9 9 8年毕业于兰州铁道学院桥梁专业 , 工学学士 , 2
8、0 0 3 年毕业于兰州交通大学桥梁与隧道工程 专业 , 工学硕士 , 2 0 0 8年毕业于东南大学 防灾减灾及防护工程专业, 工学博( E - ma i l : z h a o d l一7 3 s o hu c o m) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 预应力混凝 土箱梁桥疲劳可靠性分析 赵大亮 4 5 混 凝土 强度 等 级 的数 据 , 利 用 Or i g i n软 件 的 No n l i n e a r C u r v e F i t功 能 对 其 进 行 非 线 性 拟 合 ( 见 图 1 ) , 得 到 了混 凝土 强度 等级 与 混 凝
9、土轴 心 抗 压 强 度 标 准 值 之 间 的 函 数 关 系 式 。拟 合 中 置 信 区 间 为 9 5 , 保 证 了拟合 公式 的准确 性 。 0 1 5 20 25 3 0 3 5 4 0 45 5O 5 5 混凝土轴心抗压强度标准值 肝a 图 1 混凝土强度等级与混凝土轴心抗压强度标准值 关系 混凝土强度等级与混凝土轴心抗压强度标准值 的函数 关系 式为 : C 一 1 2 0 6 4 2 0 7 式 中 , C为混 凝土强 度等 级 ; f o 为混 凝 土轴 心 抗 压 强度标准值。则混凝土强度等级的历时变化模型为: 均 值 : ( z ) 一1 2 0 6 4 2 1 0,
10、 k7 标 准差 : ( ) 一1 _ 2 0 6 4 2 1 0 7 0 1 5 1 0 7 3荷载 参数 统计分 析 为 了考虑 车辆荷 载 在结构 服役 期 间随机 通过 边 梁 的概率 , 引 用 了路 面 结 构 主要 设 计 参 数 车 道 系数 ( 1 条 车 道 宽度 内通 过 的车 辆 数 占整 个 断 面 通 过 交通量 的 比例 ) 作 为荷 载 横 向分 布 系数 的统 计参 数 l_ 】 。部 分学 者 在研 究 结 构 的 可靠 性 时未 曾 考 虑 车 辆荷 载对结 构竖 向动 力作 用 的影 响 , 本 文 在 分 析 荷 载效应 时考 虑 了冲 击 系数 ,
11、即 车辆 荷 载 对 结 构 的 竖向动力效应 。根据文献 1 3 - 描述 , 随着我 国经济 建 设 的发 展 , 交 通 中小客 车 、 大 型 客车 以及集装 箱 车 的比重 随着平 均运 距 的 增加 而逐 年 增 长 , 因 此 引用 了高速公 路年平 均 当量轴 次增 长率 的统计 参数 作 为 车辆 荷载 年平 均增长 率 的统 计参 数 l 1 引, 以考 虑 车辆 荷 载增长 对服 役结构 可靠 性 的影 响 。变 量统计 参数 见表 1 。 4工程 实例分 析 荷载横 向分 布系 数和荷 载增 长率 是表 征在 服役 表 1变 量 统 计 参 数 期 间作 用在 某片 主
12、梁 上 荷 载 的 大小 , 因此 为 了 分析 方 便 , 将 荷载 横 向分 布 系数 和 荷 载 增 长率 统 称 为荷 载 特征参 数 。标准 差 和变异 系数反 映 随机变量 取值 的随机性 与 随机变 量 自身 取值 大 小 的相 对关 系 , 因 此 在研究 荷 载特征 参数 的变 异性对 主 梁可靠性 的影 响 时 , 为 了更 直观且 具 有可 比性 , 参 数 的均值保 持不 变 , 改变 其标 准差 。 4 1 工 程概 况 某 5跨先 简支 后连续 部分 预应 力混凝 土连 续箱 梁 ( 见 图 2 ) 主桥 上部 结 构 单孔 跨 径为 3 0 r n , 桥 面行
13、车 道宽 1 2 I n , 横 向 由 4片 单 箱 单 室 箱梁 组 成 , 采 用 现浇横向湿接缝连接 , 只在支座处设置现浇横隔板 , 采 用双柱 式 墩 。跨 中截 面 箱 梁 顶板 厚 1 8 e m, 腹 板 厚 1 8 c m, 底 板 厚 1 5 c m; 支 座 截 面 箱 梁 顶 板 厚 1 8 c m, 腹 板厚 2 5 c m, 底 板厚 2 5 c m。 图 2先 简 支后 连 续 部分 预 应 力混 凝 土 连 续 箱 梁 4 2 可 靠度 指标计 算方 法 基 于 Ma t l a b软件 编 制 了可 靠 度 指标 的计 算 程 序 , 该程 序在 已知结 构
14、抗力 各参 数 的前提 下 , 可 以计 算任 意使 用年 限 结构 的可 靠 度 指标 。其 计 算 方 法 、 流程以及作用效应的概率分布 函数见文献E 1 4 。 4 3 荷载特征参数对结构可靠性的影响 根据 5跨 连续 梁 结 构 的受 力 特点 , 计 算 研究 荷 载 特征参 数 的变异性 对 主梁抗 弯和抗 剪 2种失效 模 式结 构可靠 性 的影 响 ( 见 图 3 6 ) 。图中 。表示 荷 载增长系数的标准差; V 表示荷载横向分布系数的 标 准差 。 蟾 擗 图 3第 1跨 跨 中 抗 弯 失 效 模 式 结构 可 靠 度 通过荷 载特 征参 数 的变异性 对主 梁各种
15、失效模 式可 靠性影 响 的研究 , 可 以得 出以下结 论 : ( 1 )对于跨 中正 弯 矩 失 效 模 式 , 从 图 3可 以看 咖 疑 越想 骥 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 6 世 界 桥 梁 2 0 1 1 年第 5 期 圈 4 1号墩 顶抗弯失效模式结构可靠度 围 5 桥 台斜截面抗剪失效模式结构可靠度 圈 6第 1跨跨中抗剪失效模式 结构可靠度 出, 在荷载增长系数标准差 的步长增加 至 0 3 ( 即 =0 3 4 9 9 ) 时 , 其对跨中正弯矩失效模式结构 的 可靠 性影 响与荷载横 向分布 系数标准 差 的步长增加 至 0 1
16、( 即 V 一0 1 1 4 1 ) 一样; 荷载增长系数标准差 的步 长每增加 0 1 , 主梁 可靠度 指 标会 提前 1 0年左 右低于 目标可靠度指标 ( 。 一4 7 ) ; 荷载横 向分布 系数的标准差仅从 0 1 1 4 1增加至 0 2 1 4 1 , 主梁可 靠度指 标就会 低 于 目标 可靠 度指 标 。 因此 , 荷载 横 向分 布系数 的变异性 比荷载增 长系数 的变异性 对跨 中正 弯矩失效模 式结 构的可靠 性影 响大 。 ( 2 )对 于墩 顶 负 弯 矩失 效 模 式 , 从 图 4可 以看 出 , 在 荷载增 长 系 数 标 准 差 的 步 长 增 加 至 0
17、 3 ( 即 V 一O 3 4 9 9 ) 时 , 其 对 2种 失效 模 式结 构 的 可靠 性 影响与荷载横向分布系数标准差的步长增加至 0 1 ( 即 V =0 1 1 4 1 ) 样 ; 荷 载增长 系数标 准差 的步 长 每 增加 0 1 , 主梁 墩顶 负 弯矩 失 效模 式 的 可靠 度指 标提前 5年左右低于 目标可靠度指标 ; 荷载横 向分 布系 数 的标 准差 每 增加 0 1 , 主梁 墩 顶 负弯矩 失 效 模式 可靠度指标 将提 前 l 5年左 右 低 于 目标 可靠度 指标 。 ( 3 )对于跨 中和 斜 截 面 2种 抗 剪 失效 模式 , 从 图 5 、 图 6
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