基于结构健康监测系统的桥梁疲劳寿命可靠性评估 - 郑蕊-

1、第31卷第6期2001年11月东南大学学报(自然科学版JOUR NAL OF SOUTHEA ST UNIVER SITY (Natural Science Edition Vol .31No .6Nov .2001基于结构健康监测系统的桥梁疲劳寿命可靠性评估郑蕊李兆霞(东南大学土木工程学院,南京210096摘要:为探讨如何利用结构健康监测系统所记录的应变时程曲线进行桥梁结构疲劳寿命的可靠性评估.选取若干天的应变时程曲线,通过统计分析得到其标准样本,认为该桥上所有的应变循环都是这个标准样本的重复;利用雨流计数法,得到标准样本的应力幅谱.在对桥面结构细节的疲劳寿命进行可靠性评估时,利用BS540

2、0关于桥梁构件细节的标准分类结果对已有的概率模型进行修正,得到适合于桥梁疲劳寿命可靠性评估的概率模型.关键词:结构健康监测系统;疲劳寿命;可靠性;概率模型中图分类号:O346.5文献标识码:A 文章编号:1001-0505(200106-0071-03收稿日期:2001-05-09.作者简介:郑蕊,女,1975年生,硕士研究生.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50178019.桥梁健康监测系统被称之为风和结构健康监测系统(W ASH MS ,它是利用在桥梁建设时期预埋在桥梁内部关键部位的各种应变计传感器来对桥梁的整个使用寿命期间的结构健康状况和性能进行监测的一种完整的在线监测系统.作为结构

3、健康性能的一个重要部分,桥梁结构的耐久性主要是由桥梁关键构件的疲劳性所决定的.因此桥梁健康监测系统的一项重要任务就是提供桥梁疲劳状况的真实信息,从而可对桥梁的疲劳损伤作出估计,并对其疲劳寿命作出可靠性预测.1应力幅数据来源及整理1.1青马大桥健康监测系统青马大桥总长2.2km ,主跨1.377km ,是世界上最长的公路、铁路两用悬索桥.桥面分为2层,上层为高速公路,下层主要为铁路.构造上,青马大桥的桥面部分是桁架和箱形结构的混合结构.1.2应力幅频为了能够获取真实而完整的能代表各种应力范围及其各自频率的数据,需要一段足够长的数据记录时间.对于高速公路的监测,2d 或3d 的过程被认为是能满足以

4、上要求的.因为桥梁疲劳主要是高周疲劳,结构中的循环应力都在比例极限以内,因此可用公式=E 计算相应的应力.应用雨流计数法,筛去非敏感区以内的应力幅,得到名义应力幅谱.由于利用SSTLN 01所记录的应变数据计算得到的应力幅只是相关构件的名义应力,而疲劳累计实际上是发生在构件的焊接细节处.为了得到位于应变计附近焊接细节处危险点(一般是焊趾处的实际应力,可以将名义应力用几个系数加以修正,如S =K w K d K g S n1(1式中,S n 为应变计处的名义应力;K g 为由于考虑焊缝附近的几何不连续性而得到的应力集中系数;K d 为焊趾处的应力分布系数;K w 为由焊接过程引起的位于焊趾的残余

5、应力和缺陷影响系数.在最靠近应变计表1SSTLN1附近焊趾处实际应力幅频实际应力S /MPaa i4.00×10-2不同失效概率下的疲劳寿命根据英国规范BS54003对桥梁在不同失效概率下疲劳曲线各参数的实验研究,可根据BS5400中的公式计算得到不同可靠概率下桥梁的疲劳寿命N 1ni =1a i S mi =K 0d(2式中,N 1为在变应力幅S i 作用下的失效循环数;a i 为第i 级应力幅的循环数和总循环数之比;S i 为第i 级应力幅;,K 0,m是和统计分析结果的50%概率(即平均寿命相关的常数;是对数疲劳寿命标准方差的反对数的倒数;d 是低于中线值的标准方差数.表2利用

6、BS5400实验结果得到的疲劳寿命3.0130参阅BS5400对各细节类别的列表,在应变计SSTLN01附件的构件焊接细节类别为F 2,K 0=1.23×1012由应力幅谱可看出,桥梁承受的由交通荷载引起的实际应力远远小于设计强度,所以得到较长的疲劳寿命是合理的.3基于概率模型的疲劳寿命在前面的计算中,只计算了5种失效概率下的疲劳寿命,这是因为在B S5400的相应列表中,只提供了根据实验结果整理出来的这5种失效概率下的计算参数.为方便计算任何概率下的疲劳寿命,作者对已有的概率模型2进行修正,得到适合桥梁疲劳寿命评估的概率模型.3.1疲劳寿命的概率模型此模型2的思路是,首先应用Min

7、er 线性累积损伤理论进行平均寿命计算(Miner 损伤准则对于平均寿命的计算,可靠程度比较理想,再由疲劳寿命近似服从对数正态分布的假设,得到不同疲劳寿命的可靠性系数.平均疲劳寿命可以由50%存活率的P S N 曲线( N m=C 得到,据文献2 N =Cki =1a i S mi(3式中, N 为平均疲劳寿命;C 为50%存活率的P S N 曲线常数,这里参考了B S5400的实验常数.因为结构疲劳寿命近似服从对数正态分布,所以对数形式的疲劳寿命服从正态分布,故可用标准正态分布公式求得可靠性系数Z R =lg N R -lg N lg N(4因此不同可靠度下疲劳寿命N R 的计算公式据文献

8、2可由下式得到:N R =lg -1Z Ra 0-b 0mlgk i =1a i S mi-lgCk i =1a i S mi(5式中,a 0,b 03分别是与材料和接头形式有关的材料常数.3.2概率模型的修正式(5中的参数a 0,b 0是与机械零件的疲劳寿命有关的常数,必须通过对所分析的材料和焊接细节进72东南大学学报(自然科学版第31卷行实验来得到.在现有条件下,不可能对青马大桥所用的结构钢及其构件细节进行实验.因此,这里采用了根据上述用BS5400的计算结果来反演所需参数的方法.为使此概率模型适合于桥梁疲劳寿命的评估,将利用式(5计算得到的失效概率为31%的桥面疲劳寿命和利用BS5400

9、计算得到的相同失效概率下的疲劳寿命相比较,从而得到适合于桥梁结构的参数a 0,b 0.当m =3,C =1.23×1012,失效概率为31%时,Z R =0.49583,试取a 0 b 0=2.67,可用式(5计算的疲劳寿命.表32种方法计算得到的桥面疲劳寿命的比较失效概率/%Z R 用BS5400计算得到的疲劳寿命N R /a用修正过的概率模型计算得到的疲劳寿命N R /a2.9900131130从表3的比较中可看出,利用修正过的概率模型计算得到的不同失效概率下的桥梁构件细节的疲劳寿命和利用BS5400中的参数结果所得到的疲劳寿命吻合,因此本模型具有一定的实用价值,可用来评估不同失

10、效概率下桥梁的疲劳寿命.而且,用本模型可以计算在表3中所列失效概率以外的其他失效概率下的疲劳寿命.4结语本文主要是利用了结构健康监测系统所记录的应变时程曲线对桥面的疲劳寿命作出可靠性的评估.选取若干天的应变时程曲线,通过统计分析得到其标准样本,认为该桥上所有的应变循环都是这个标准样本的重复,并利用雨流计数法,得到3d 的标准样本的应力幅谱.在对桥梁结构细节的疲劳寿命进行可靠性评估时,首先利用英国规范BS5400对桥梁在不同失效概率下疲劳曲线各参数的实验结果,计算得到不同可靠概率下桥梁的疲劳寿命.然后对已有的概率模型参数进行修正,得到适合桥梁疲劳寿命评估的概率模型.计算结果表明利用修正过的概率模

11、型计算得到的不同失效概率下的桥面疲劳寿命和利用BS5400实验结果所得到的疲劳寿命吻合,因此本模型具有一定的实用价值.感谢香港特区政府路政署为本项研究提供了宝贵的实测数据和有关的图纸资料.参考文献Reliable Evaluation of Bridge Fatigue LifeBased on Structural Health Monitoring SystemZheng Rui Li Zhaoxia(College of Civil Engineering ,Southeast University ,Nanjing 210096,China A bstract :In order to

12、 use strain -time curve recorded by the structural health monitoring system to reliably evaluatethe fatigue life of bridge structure .Strain -time cur ves of several days are selected ,a representative block of cycles is obtained by statistical analysis ,and it is believed all strain cycles in the b

13、ridge are repeats of the representative block of c ycles .The str ess spectrum of the representative block of cycles is obtained by rain -flow counting method .When the fatigue life of bridge -deck section details is reliably evaluated ,a modified probability mode suitable for bridge fatigue evaluation is obtained through using the standard cl