预应力混凝土箱梁桥疲劳可靠性分析.pdf

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， 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 ， 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 ， 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 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 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 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， 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 ， 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 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 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 ( 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 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 可 以看 出 ， 荷载横 向分 布系 数标 准差 的步 长增加 至 0 3时 ， 2种 抗 剪失 效 模式 结 构 的可 靠度 指标仍然高于 目标可靠度指标( 一5 2 ) 。其可靠 度指标的变化规律不 同于抗弯失效模式， 这也是 2 种破坏 模式 ( 脆性破坏 和延性破 坏 ) 的不 同之处 。 ( 4 )在所研究的失效模式中， 荷载增长系数和 荷载横向分布系数的变异性对主梁跨中正弯矩失效 模式的可靠性影响最大， 墩顶负弯矩失效模式次之， 抗剪失 效模式 最小 。 ( 5 )标 准差变化 较大 ， 说 明变 量 随机性 较大 ， 从 而也说 明在差别 较 大 的荷 载重 复作 用 下 ， 结构 抗 弯 和抗剪 失效模 式的失效 概率都 较大 。对 于预应 力混 凝土结 构 ， 在设 计 时应 同样重 视 其抗 疲 劳性 。美 国 AAS HTO规范和我国 铁路工 程结构可靠度设计 统一标准 ( G B 5 0 2 1 6 9 4 ) 明确规定 了结构抗疲劳 性 能 ， 我 国公路 规范 尚未 有此规定 。 ( 6 )有关 疲 劳性 能 研究 指 出 ， 在 重 复荷 载 作 用 下构件可能发生弯曲、 剪切、 扭转或粘结破坏， 而且 通常发生于高应力脉 区钢筋 的断裂 ， 钢筋的断裂点 多靠 近受拉 区裂 缝 截 面 ， 这 从 图 3 6可 以 得 到验 证。在相同的情况下， 抗弯失效模式 的失效概率明 显高于抗剪失效模式的失效概率。抗剪失效模式在 超载或频遇荷载的作用下 ， 结构也容易发生疲劳破 坏 ， 而且其可靠度指标的变化同样保持脆性破坏的 特点 ， 在破坏之前不会有任何的预兆 。 ( 7 )荷 载横 向分布 系数 比荷 载增 长 系数 的变异 性对结构可靠度指标的影响较为显著。即结构可靠 度指 标的变化 对荷载 横 向分布 系数 比荷载增长 系数 的灵 敏性较 大 。伺 时也说 明 ， 在高速公 路上 ， 车辆 的 蛇形行驶 比直 行更容 易引起桥 梁结构 的疲劳破 坏 。 5 结 论 ( 1 )荷 载横 向分布系数 的变异 性 比荷载 增长 系 数 的变异 性对结 构 的影 响 显著 ， 说 明 在高 速公 路 上 车辆 的蛇形行 驶 比直行 更容易 引起桥 梁结构 的疲劳 破 坏 。 ( 2 )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。因此， 对于预应力混 凝 土结构 的疲劳 可靠 性应 引 起 足 够 的重视 ， 特别是 6 6 5 6 4 4 3 3 2 2 鞲 巡格 馨 I I 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 7 既 有桥梁 结构 应该 控制 重车 的通行 。 ( 3 )对 于交 通 流 量 大 的地 区 ， 进 行新 桥设 计 时 应 充分预 测该 地 区 的交 通 流量 以及 变 化趋 势 ， 提 高 结 构 的安 全 等级 、 结 构 的安全 可靠性 和 耐久性 ， 从 而 保证 结构 在整 个服役 期 内的可 靠指标 满 足 目标 可靠 性 指标 。建议对 于 多片 主梁组 成 的梁 式桥 应增 加 主 梁数 ， 使更 多 的主梁 参与受 力 ， 减少边 梁 的受力 以及 车辆 尽量 避免 蛇形行 驶 ， 提 高桥 梁结 构 的使用 寿命 。 参 考 文 献 ： 1 董聪城市桥 梁智能 健康诊 断研究 与进 展E J 科 技 导 报 ， 1 9 9 9 ， ( 1 O )： 5 7 6 0 2 赵尚传 ， 赵 国藩 ， 贡金鑫在役 钢筋混凝 土结 构基 于可靠 性的疲劳寿命 分析 J 工 程力 学 ， 2 0 0 2 ， 1 9 ( 4 ) ： 7 1 1 3 钱冬升谈谈 钢桥 的疲 劳和断 裂 J 桥梁 建设 ， 2 0 0 9 ， ( 3 ) ： 1 2 2 1 4 朱劲松 ， 孟会林公路钢桥精 细化抗疲 劳设计方 法及其 应用 J 桥梁建设 ， 2 0 0 9 ， ( 3 ) ： 4 4 4 7 ， 5 8 5 Y s P e t r y n a ， D P l a n n e r ， F S t a n g e n b e r g ， e t a 1 Re l i a b i l - i t y o f Re i n f o r c e d C o n c r e t e S t r u c t u r e s Un d e r F a t i g u e J Re l i ab i l i t y Eng i ne e r i ng an d Sys t e m S a f e t y， 2 0 02， 7 7 ( 3)：25 3 2 61 6 王爱和 ， 陈梦成 ， 蔡小萍 命及其可 靠度 分析 E J 3 6 既有铁路钢桥 构件剩余疲劳寿 桥 梁 建 设 ， 2 0 0 8， ( 1 )： 3 0 3 2， 7 范洪军 ， 刘铁英土耳其耶迪 库勒铁路 钢桥疲 劳寿命评 估与加固 J 世界桥梁 ， 2 0 0 9 ， ( 4 ) ： 5 4 5 7 8 冯秀锋 ， 宋玉普 ， 朱美春 随机 变幅疲劳荷载下预应力混 凝土粱疲 劳寿命 的试验研 究 J 土 木工程 学报 ， 2 0 0 6 ， 3 9( 9)： 32 38 9 Al a i n C Nu s s b a u me r ， J o h n W F i s h e r ， R o b e r t J De x t e r ， a1 Be ha vi o r of Lo ng Fa t i gu e Cr a c k s i n Ce l l ul a r Bo x B e a m J J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ，1 9 9 9 ，1 2 5 ( 1 1 ) ：1 2 3 2 1 2 3 8 1 O C 6 s a r C r e s p o Mi n g u i l l 6 n ， J u a n R C a s a s F a t i g u e Re l i a b i l i t y A n a l y s i s o f P r e s t r e s s e d C o n c r e t e B r i d g e s J J o u r n a l o f S t r u c t u r a l En g i n e e r i n g ， 1 9 9 8， 1 2 4( 1 2) ： 1 45 8 1 4 66 1 1 牛荻涛 ， 王庆霖一般大气环境下混凝土强度经时变化 模型 J 工业建筑 ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 6 ) ： 3 6 3 8 1 2 GB T 5 0 2 8 3 1 9 9 9 ， 公路 工程结构 可靠度设 计统一 标 准 S 1 3 J T G D 6 0 2 0 0 4 ， 公 路桥 涵通用设计规范 s 1 4 赵大亮温差 对预 应 力 混凝 土箱 梁 桥可 靠性 的影 响 J 世界桥梁 ， 2 0 1 1 ， ( 2 ) ： 3 8 4 2 An a l y s i s o f Fa t i g u e Re l i a b i l i t y o f Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Bo x Gi r d e r Br i d g e ZHAO Da l i a n g ( Ch i n a Ra i l wa y W u y u a n S u r v e y a n d De s i g n I n s t i t u t e Gr o u p Co ，Lt d ，B e ij i n g 1 0 2 6 0 0，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：For a b r i dg e un de r t he a c t i on o f l i v e l oa d，t he s t r uc t ur e i s v ul ne r a b l e t o f a t i gu e d a ma ge u nd e r t he a c t i o n of c e r t a i n r e pe a t e d l o a d To s t ud y t he f a t i gu e r e l i a bi l i t y o f t he pr e s t r e s s e d c o n c r e t e( PC)s t r u c t u r e ，a f i v e s p a n p a r t i a l PC b o x g i r d e r b r i d g e t h a t wa s f i r s t l y s i mp l y s u p po r t e d a nd l a t e m a d e c on t i n uo us wa s t a k e n a s a n e x a m pl e Fr o m t he a n gl e o f pr o ba bi l i t y a n a l y s i s，t he l o a d t r a ns v e r s e di s t r i b ut i on c o e f f i c i e n t a n d l o a d gr o wt h c o e f f i c i e n t we r e r e ga r de d a s r a n do m v a r i a b l e s，t he s t a nda r d d e v i a t i o ns of whi c h we r e c ha n ge d S O a s t o s t ud y t he i r e f f e c t o n t he f a t i gu e r e l i a b i l i t y o f t h e t wo f a i l u r e mod e s of s t r u c t u r a l be n di ng a nd s h e a r i n g r e s i s t a n c e Th e r e s u l t s o f t he a n a l y s i s s h ow t h a t t h e va r i a bi l i t y o f t h e l o a d t r a n s v e r s e d i s t r i but i o n c oe f f i c i e nt a n d l o a d gr o wt h c oe f f i c i e nt h a ve d i s t i nc t i v e e f f e c t o n t h e r e l i a bi l i t y of t he s t r u c t u r e a nd t he e f f e c t o f t he f o r me r i s gr e a t e r Un de r t he s a me c on di t i o n，t he f a i l ur e pr o b ab i l i t y o f t he f a i l ur e mo de o f be n di ng r e s i s t a n c e i s gr e a t e r t ha n t ha t o f t he s he a r i ng r e s i s t a n c e a nd u nd e r t h e r e p e a t e d a c t i on o f he a vi e r l o a d，t he f a t i gu e r e l i a b i l i t y of PC s t r uc t u r e i S l e s s Ke y wo r d s：bo x g i r de r b r i d ge；pr e s t r e s s e d c o nc r e t e s t r uc t ur e ； f a t i gu e； r e l i a bi l i t y；l oa d pa r a me t e r ；a n a l ys i s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m