基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估-Xu-Chen

徐幼麟，陈志为香港理工大学土木与结构工程系基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估研究背景基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估第2页近几十年来，世界各地建造了许多大跨度悬索桥日本明石海峡大桥(主跨1991米)中国西喉门大桥(主跨1650米)丹麦大伯尔特桥(主跨1624米)中国润扬大桥(主跨1490米)研究背景基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估第3页在这些桥中，有位于台风多发地区的公铁两用桥。这些桥承受长期复杂的动力荷载：火车、汽车与风荷载的共同作用。火车汽车与风荷载作用下的大跨悬索桥火车荷载汽车荷载研究背景基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估第4页钢结构广泛应用于大跨度悬索桥，但80-90%钢结构的失效同疲劳与断裂有关。在桥梁的历史上，许多灾难性的塌桥事件是由疲劳导致。疲劳问题受到越来越多的政府部门和桥梁工程师的关注，并制定了许多与钢桥疲劳设计与评估相关的规范。研究背景钢桥疲劳评估，动应力分析是关键•钢桥的疲劳主要是由荷载波动产生的动应力造成，并在使用过程中累积，当累积到一定临界值，桥梁发生破坏。基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估第5页对于多荷载大跨度悬索桥，准确估计结构的动应力并不简单•动力荷载的确定•动力荷载的随机性•应力水平的桥梁模型•动应力响应的耦合性•参数的不确定性报告的内容第一部分：多荷载桥梁的动应力分析第二部分：多荷载桥梁的疲劳分析第三部分：多荷载桥梁的疲劳可靠度基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估第6页第一部分多荷载桥梁的动应力分析理论框架大跨悬索桥、火车和汽车被认为是三个不同的子系统，三个子系统用三个不同的有限元模型来表达。基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估第8页bbbbbbbrrrrrrrhhhhhhhMXCXKXFMXCXKXFMXCXKXF桥梁子系统火车子系统汽车子系统火车与桥梁的接触力brbhbwbrprbrwrhphbhwhFFFFFFFFFFFF汽车与桥梁的接触力作用在桥梁、火车与汽车子系统的风力火车与汽车子系统中虚拟力激励力项理论框架振形叠加法：基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估第9页bbbrrrhhhXΦqXΦqXΦq模态振形矩阵模态坐标向量考虑了振形叠加法后的振动平衡方程2Tbbbbbbbb2Trrrrr2Thhhhh2qξωqωqΦFqωqΦFqωqΦF模态频率矩阵模态阻尼率矩阵Γ=DLNTΦ通过模态应力的引入单元的应力可以表示为bbσΓq程序实现基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估第10页y1F子模块1.1桥梁模型的模态频率与振形子模块1.2火车车辆模型的模态频率与模态振形模块一模态矩阵的形成子模块1.3汽车车辆模型的模态频率与模态振形桥梁模型一阶(横飘)1234火车模型一阶(车体摇头)汽车模型一阶(车体侧滚)1.1建立应力层次的桥梁模型，用实测的动力特性和动力响应修正模型，以直接得到准确的动应力。1.2建立多自由度火车模型，用弹簧和阻尼连接火车各组件1.3建立多自由度火车模型，用弹簧和阻尼连接汽车各组件程序实现基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估第11页y1F子模块2.2火车与桥梁的接触力子模块2.3汽车与桥梁的接触力子模块2.4作用于桥的风力子模块2.5作用于车辆的风力模块二激励力的计算2.1在火车和汽车子系统中，火车悬挂体系和汽车内的非线性力及阻尼力被移到振动方程右端，处理成虚拟力2.2火车与桥梁的联系通过车轮与不平顺轮轨的接触实现。2.3汽车与路面的联系通过车轮与不平顺路面的接触来实现。2.4作用于桥的风力包括抖振力和自激力。抖振力根据风压的分布，自激力应用虚功原理，将风力从截面弹性中心分配到桥梁模型截面的各个节点上。2.5作用于车的风力考虑了阻力、升力与扭转力，并作用于车辆质心。子模块2.1火车与汽车模型的虚拟力程序实现基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估第12页y1F模块三数值求解理论框架的验证基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估第13页y1F青马大桥•公铁两用悬索桥，位于台风多发地区的香港•安装了风与结构健康监测系统，测得大量荷载与结构响应的相关数据温度计(6)加速度计(19)温度仪(115)应变仪(110)卫星定位系统(14)位移仪(2)水平仪(10)数据采集站(3)动态称重仪(7)传感器与信息采集系统布置图(Wong2007)理论框架的验证基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估第14页y1FModule1Formationofthemodalmatrices用于验证理论框架的三个荷载工况：•工况一：强风下的桥梁•工况二：强风和火车作用下的桥梁•工况三：强风、火车与汽车共同作用下的桥梁风与结构健康监测系统的测量数据：•动应力数据：应变片•风速信息：风速仪•火车信息：转换轨道梁下的应变响应信息•汽车信息：动态车辆测重仪工况三：强风、火车与汽车共同作用下的桥梁基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估第15页y1FSS-TLS-12时间段:2005年11月19日20:24:00到20:26:20荷载描述：一列火车和29辆重型汽车过桥，正交于桥面风速为11.91m/s比较测量应力与计算应力SP-TLS-02工程分析方法基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估第16页y1F耦合风车桥动力方法•优点：可同时考虑悬索桥的强度评估和强风下车辆运行的安全性，考虑了动力耦合效应。•缺点：计算效率低，几乎不可能考虑桥梁疲劳评估。提出适用于大跨多荷载悬索桥疲劳评估的工程分析方法•高水准的计算效率•满足疲劳评估工程要求的计算精度两点简化与工程分析方法基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估第17页y1F简化一：忽略多种荷载产生应力之间的耦合效应•分别计算火车、汽车与风荷载的动力响应，然后叠加得到多荷载作用的动力响应简化二：忽略由车辆冲击产生的动力放大效应•可以将车辆简化成一个或者若干个集中力，将车辆移动简化成静力沿着火车或者汽车的影响线移动基于两点简化，工程分析方法的桥梁子系统运动平衡方程可以表示为：brbrbbhbhbbwbbwbbwbwbKXFKXFMXCXKXFbrbhbwb火车、汽车与风荷载作用下的动应力可以由叠加法得到：计算精度基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估第18页y1F(a)(b)火车、汽车与风荷载作用下不同位置的应力时程：(a)SP-TLS-02;(b)SS-TLS-12结论：比较两种方法计算的动应力响应时程，在应力峰值的相对差别约为10%。可以认为其计算精度能基本满足疲劳评估的工程要求。计算效率的验证基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估第19页y1F计算多荷载作用的一天的应力时程，并同测量的时程进行比较2005年11月19日，有440列火车，16848辆超过3吨的重型汽车通过大桥，正交于桥面的每小时平均风速范围是2-13m/s火车、汽车与风荷载作用下的一天应力时程ComputedMeasuredComputedMeasured结论：计算应力响应很接近于测量的结果，而且计算一天的应力响应只需要几分钟。第二部分多荷载桥梁的疲劳分析累积疲劳计算过程基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估第21页y1F1.确定所关心的悬索桥的设计寿命2.确定不同桥梁构件的疲劳关键位置3.用工程方法建立疲劳关键位置由火车、汽车与风荷载造成的动应力响应的数据库4.基于数据库产生多种荷载共同作用产生的动应力响应时程5.第k个时间段的应力时程中，用雨流法计算的不同应力幅范围的周期数6.计算某一疲劳关键位置在第k个时间段内的疲劳损伤的增加量7.计算桥梁在服务年限内的累积疲劳损伤疲劳关键位置的确定基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估第22页青马大桥的关键结构构件•55类构件属于15个组:(1)主缆,(2)拉索,(3)桥塔,(4)锚定,(5)桥墩,(6)外侧纵向桁架,(7)内侧纵向桁架,(8)主横向框架,(9)过渡横向框架,(10)水平支撑,(11)桥面板,(12)轨道梁,(13)支座,(14)伸缩缝,和(15)青衣段桥面系标准火车造成的应力响应•青马大桥大多数钢结构构件的疲劳主要是由移动火车产生，而移动汽车和风的贡献比较小。•用标准火车的响应确定疲劳的关键构件与位置。确定疲劳关键位置的准则•根据最大应力幅确定疲劳关键位置，同时需要满足下列条件：NTDLSIDLT20青马大桥疲劳关键位置基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估第23页y1FUpperChordMainCrossFrameIntermediateCrossFrameVerticalTrussRailwayBeamLowerChordDiagonalTrussSwayBracingCrossBracings(topcenter)CrossBracings(bottomouter)CrossBracings(bottomcenter)NorthSouthTopChordVerticalPostBottomChordSlopingWebE32123(T):靠近马湾桥塔，位于外纵向桁架斜杆的上翼缘E34415(B):位于马湾桥塔，外纵向桁架下弦杆的下翼缘E40056(T):位于青衣桥塔，内纵向桁架上弦杆的上翼缘E40906(B):位于青衣桥塔，内纵向桁架下弦杆的下翼缘E39417(B):位于青衣桥塔，轨道梁的T形构件的下翼缘E55406(T):位于青衣桥塔，下部横向支撑的下翼缘建立风造成的动应力响应的数据库基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估Page24y1F平均风速与风向的联合概率密度函数：01,()jUiiiPUpfudu()1()()()exp()()()iikkiiiiikuufu根据实测数据确定每小时平均风速和风向的联合概率密度函数根据实测数据确定正交于顺桥向的每小时平均风速的最大值•120年不同风向小时平均风速的超越概率•塔顶不同风向小时平均风速的最大值•桥面不同风向小时平均风速的最大值•桥面正交于顺桥向小时平均风速最大值•陆地来风的数据库：风速从5到26m/s，间隔1m/s•海洋来风的数据库：风速从5到16m/s，间隔1m/s第24页计算对应不同平均风速水平的应力时程，以建立风荷载响应的数据库建立火车造成的动应力响应的数据库基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估第25页y1F0100200300400500Train(count)Bogie14Bogie16200020052004200320022001Year0100200300400500Bogie14Bogie16Train(count)DecNovOctSepAugJulJunMayAprMarFebJanMonth(2005)05101520-200204005101520-200204005101520-200204005101520-200204005101520-2002040Stress(MPa)Time(hour)(a)(b)(c)(d)(e)2005年十一月的火车交通被选择用于建立数据库•该月已基本完成火车车型从七车厢向八车厢的转变•该月每天平均的火车数量接近了所关心时间段的最大值一天的火车荷载造成动应力响应时程样本(样本1)(样本2)(样本3)(样本4)(样本5)建立汽车造成的动应力响应的数据库基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估第26页y1F200