基于WIM数据的上海某大桥钢箱梁应力谱研究

徐 昊，胡明敏

（南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京 210016）

0 引 言

近年来，随着公路交通流量的不断增加，公路桥梁的疲劳问题变得越来越显著［1］.尤其对于大型斜拉桥，动载荷使得钢桥结构中产生反复变化的应力，这种反复变化的应力会使钢桥结构在应力集中处或存在缺陷处的局部产生微小裂纹并使裂纹扩展，最终导致疲劳破坏.所以，及时了解桥梁结构的疲劳损伤程度，并采取有效措施进行维护、加固来确保其安全运营，避免灾难性事故的发生是非常必要的［2］.

桥梁疲劳评估中所采用的疲劳载荷与结构的静力设计不同，不应是按最不利情况采用强度设计的标准载荷，而应采用桥梁服役期间承受的日常实际车辆载荷，利用检测统计手段取得实际交通载荷能够更精确地计算桥梁各种累计损伤.近年来在国际和国内上越来越多的使用动态称重系统（WIM）数据采集分析技术来记录过桥车辆整体数据参数.WIM是一组安装好的传感器和含有软件的电子仪器，用以测量动态轮胎力和车辆通过时间，并提供计算轮重、轴重、总重、车速、轴距等数据.具有采集、存储、判断和分析过路车辆信息的功能［3］.本文基于上海某大桥，建立有限元模型，运用经检测结果处理后的等效载荷谱对模型加载，获得索塔的应力历程，从而建立细节应力谱.

1 上海某大桥交通运输概况

上海某大桥起于隧道长兴岛登陆点，沿地面横穿长兴岛，由长兴岛东北部跨越长江口北港水域至崇明岛陈家镇，与崇启通道工程相接，全长16.63 km，其中道路6.66 km，桥梁9.97 km，大桥设计为双向6车道，初步设计桥面外侧预留给轨道交通线路.上海长江大桥工程是上海到崇明越江通道南隧北桥的重要组成部分之一.桥梁整体模型如图1所示.

大桥工程按6车道交通标准设计，汽车载荷为公路I级，设计车速80 km／h～100 km／h.为了叙述方便，现假定由南向北从上海市区开往崇明岛方向的外侧车道为上外，中间车道简称为上中，内侧车道简称为上内；由北向南从崇明岛开往上海市区方向外侧车道简称为下外，中间车道简称为下中，内侧车道简称为下内.

根据参考车辆技术手册，现将所有车辆分为11种类型，令其代号为A1～A11，如表1所示.

表1 车辆分类Tab.1 Vehicle classification

为了反映上海某大桥交通变化趋势，本文选取动态称重系统采集到的2011年5月时段车辆的数据信息进行统计处理，图2列出了5月每个车道的车流量信息.

图1 上海长江大桥整体有限元模型Fig.1 The model of Shanghai Yangtze River Bridge

图2 五月车流量统计Fig.2 The traffic statistics of May

2 车辆载荷模型的确定

若一辆轻车的重量是常遇重车重量的0.1倍，根据疲劳损伤与应力脉的m次方成正比的关系，一辆轻车所造成的损伤度只是后者的0.001倍（按m＝3计算），因此重量很轻的小型车辆所产生的疲劳损伤效应与常遇重车相比通常是很小的.参考国内外相关研究［4，5］，可以忽略2 t重的2轴轻型客货车所产生的疲劳损伤效应.由于车流量巨大，单一的对10余种车辆类型去验算疲劳损伤，计算工作量繁琐，因此将原谱中的各种车型简化，按照“相同轴型合并，不同轴型分开”原则重新将车辆划分类别，提炼出一种比较实用的模型车辆.即将A1类忽略，对A2～A11车辆类型重新分类，相同轴数的车辆归为一类，分为S1～S5共5类.

将车型重新整合分类后，按照等效疲劳损伤原理，求出各个轴的等效轴重，各个等效轴重之和即为模型车辆的等效总重.等效轴重计算公式为［6－8］

图3 等效轴重Fig.3 Equivalent axle load

式中：f i为归在同一类车辆中的第i车辆的相对频率；Wij为第i车辆的第j个轴的轴重；Wej为该类模型车辆第j轴的等效轴重.图3即为各类车辆模型的等效轴重.

以归在同一类的每种车辆出现的相对频率作为权数，按各个车辆实测轴距的加权平均值求出该类模型车辆的各个轴距.平均轴距的计算公式为

式中：fi为归在同一类车辆中的第i车辆的相对频率；Aij为第i车辆的第j个轴的轴距；Aj为该类模型车辆第j轴的等效轴距.计算得到的等效轴距如表2.

表2 车辆等效轴距Tab.2 Equivalent axle space of vehicles

3 南塔箱梁应力谱分析

上海某大桥在日常运营过程中，南北两塔结合处主梁节段达到最大轴向力，同时跨中节段的竖向位移达到最大值.当大桥长期经历着交变荷载的作用时，这两段钢箱梁的力学特性和疲劳特性对全桥的疲劳破坏产生至关重要的作用，为了保证大桥结构的安全运营，避免灾难性事故发生，本文采用子模型法［9］进行局部箱梁有限元结构仿真，进而探讨关键部位的疲劳损伤.局部梁段几何模型如图4所示.

图4 局部梁段几何模型Fig.4 The model of selected box girder

图5 南塔箱梁子模型Fig.5 The submodel of southern tower

限于篇幅，这里主要选取大桥南塔箱梁节段，横截面位于中间横隔板与箱梁顶板相交的截面进行研究，南塔箱梁子模型和截面主要连接细节如图5和图6所示.

图6 钢箱梁截面连接细节Fig.6 Details of steel box girder section

根据BS5400规范中的单迹线的加载方式，使用前面计算出的每种车道上等效轴重作为疲劳载荷.参考汽车标准手册，疲劳车辆模型车的轮胎宽度取为0.25 m［10］，纵向加载长度则等于车轮与路面的接触面积除以轮胎宽度，所有疲劳模型车辆在任一分车道行驶的平均中心线两侧将形成一个矩形的加载区域.

将车辆载荷从梁段一端驶入，以一定的增量向前移动，每前进一步后，疲劳细节就会产生与之对应的应力值，直到车辆载荷在梁段另一端完全驶出为止，这个随时间变化的应力过程即为应力历程.基于篇幅，只给出2轴模型车作用下的应力历程，见图7～图10.

图8 2轴模型车作用下细节B应力历程Fig.8 The stress mechanism of part B under bi－axle load

图7 2轴模型车作用下细节A应力历程Fig.7 The stress mechanism of part A under bi－axle load

图9 2轴模型车作用下细节C应力历程Fig.9 The stress mechanism of part C under bi－axle load

图10 2轴模型车作用下细节D应力历程Fig.10 The stress mechanism of part D under bi－axle load

图11 细节A应力谱Fig.11 The stress spectrum of part A

图12 细节B应力谱Fig.12 The stress spectrum of part B

图13 细节C应力谱Fig.13 The stress spectrum of part C

图14 细节D应力谱Fig.14 The stress spectrum of part D

4 结 语

本文主要借助等效疲劳损伤原理，按照不同轴型来划分车辆类别，推导出适合计算大桥疲劳损伤的车辆载荷谱，并加载到ANSYS模型得到南塔箱梁的应力历程，运用泄水法将应力历程转化为应力谱，从而为箱梁的疲劳损伤和寿命评估提供依据.使用动态称重系统（WIM）采集上海某大桥实际的交通载荷，大大提高了桥梁疲劳损伤评估的准确性和可靠性.

［1］ 潘鹏，李全旺，周怡斌，等.某公路大桥车辆荷载调查与局部疲劳分析［J］.土木工程学报，2011，44（5）：94－100.

Pan Peng，Li Quanwang，Zhou Yibin，et al.Investigation of a highway bridge vehicle loads and local fatigue analysis［J］.Civil Engineering Journal，2011，44（5）：94－100.（in Chinese）

［2］ 王春生，陈惟珍，陈艾荣，等.既有钢桥工作状态模拟与剩余寿命评估［J］.长安大学学报（自然科学版），2004，24（1）：43－44.

Wang Chunsheng，Chen Weizhen，Chen Airong，et al.Steel work both simulation and remaining life assessment［J］.Journal of Chang＇an University，2004，24（1）：43－44.（in Chinese）

［3］ 韦金城，王林，辛星.基于动态称重系统的轴载谱数据采集及处理［J］.交通标准化，2009，196：6－8.

Wei Jincheng，Wang Lin，Xin Xing.Collecting and processing data of axle load spectrum based on Weight－in－Motion（WIM）［J］.Transport Standardzation，2009，196：6－8.（in Chinese）

［4］ 英国标准学会.钢桥、混凝土桥及结合桥（英国标准BS5400）［M］.成都：西南交通大学出版社，1987.

［5］ 钱东生.钢桥疲劳设计［M］.成都：西南交通大学出版社，1986.

［6］ 童乐为，沈祖炎，陈忠延.城市道路桥梁的疲劳荷载谱［J］.土木工程学报，1997，30（5）：20－27.

Tong Lewei，Shen Zuyan，Chen Zhongyan.Fatigue spectrum of urban roads and bridges［J］.Civil Engineering Journal，1997，30（5）：20－27.（in Chinese）

［7］ 李昆，孙开畅.江阴长江公路大桥疲劳荷载车辆模型分析研究［J］.山西建筑，2008，34（5）：299－300.

Li Kun，Sun Kaichang.Study on the model of the fatigue－loaded vehicles in Jiangyin yangtse river highway bridge［J］.Shanxi Architecture，2008，34（5）：299－300.（in Chinese）

［8］ 王荣辉，池春，陈庆中，等.广州市高架桥疲劳荷载车辆模型研究［J］.华南理工大学学报，2004，32（12）：94－96.

Wang Ronghui，Chi Chun，Chen Qingzhong，et al.Study on the model of the fatigue－loaded vehicles in guangzhou trestle bridges［J］.Journal of South China University of Technology，2004，32（12）：94－96.（in Chinese）

［9］ 柴海峰，陈赛国.子模型技术在钢板梁桥应力分析中的应用［J］.山西建筑，2008，34（13）：341－342.

Chai Haifeng，Chen Saiguo.Sub－model technology in steel plate girder bridge stress analysis［J］.Shanxi Architecture，2008，34（13）：341－342.（in Chinese）

［10］ 黄文元.沥青路面超重车轴载换算初步研究［J］.公路交通科技，2000，17（1）：5－9.

Huang Wenyuan.The study of pavement overweight axle load conversion preliminary［J］.Highway and Transportation Research，2000，17（1）：5－9.（in Chinese）

［11］ 英国标准BS5400.钢桥、混凝土桥及结合桥，第十篇：疲劳设计实用规则［S］.成都：西南交通大学出版社，1987.