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细长大跨桥梁的疲劳评估：可靠性方法

摘要：众所周知，细长的大跨度桥梁的风引起的抖振是风荷载导致的。 在一个细长的大跨度桥梁上，交通经常存在并且贯穿于桥梁的使用年限，这可能会影响到细长结构系统的动态特性。细长的大跨桥梁的振动的性质被桥梁、风和交通之间的动态耦合效应进一步复杂化。在正常使用性能的细长的大跨度桥梁，疲劳损伤是一个重要的考虑因素，通常经历循环或重复的负载，如风和交通诱导。 一个细长的大跨桥梁的随机风和交通负荷、动态的相互作用、和疲劳的积累随着时间的推移，从本质上随时间变化。因此，一个可靠性疲劳评估模型，它可以合理地考虑合并风和交通负荷的影响，以及相关的不确定性，是需要提供一个准确的估计疲劳可靠性。最初，基于场景的确定性疲劳分析模型。一个典型的一年被分为几个有代表性的交通和风条件的情况。 在确定每一代表情况的持续时间在一个典型的一年，一年累计疲劳损伤因子可以每小时的累积损伤因素叠加的所有代表性的情景来预测。 在基于场景的确定性分析模型的基础上，进一步发展了一个细长的大跨桥梁结构的疲劳损伤评估框架。最后，原型桥的一个说明性的例子进行。

关键词：10.1061 /（ASCE）be.1943-5592.0000232。copy;2012美国土木工程师学会。

数据库主题标题： 跨桥；疲劳；可靠性；公路桥梁；交通模式。

作者关键词：大跨度桥梁；疲劳；可靠性；桥梁/交通/风间相互作用；元胞自动机模型。

引言

一座桥从投入使用的第一天开始就开始了它的退化过程。对桥梁疲劳性能进行合理的评估是评估其寿命性能的关键，它影响了桥梁的养护和相关费用的总体规划。目前的疲劳设计负荷的桥梁规范（AASHTO 2007）主要是针对60米以内跨度的桥梁。 这些疲劳设计标准对于短跨度和大多数中等跨度桥梁是合理的，但可能无法合理捕捉到大跨度桥梁的复杂和相互依存的使用负载情况，即150米或更长的时间（陈和蔡2007）。细长的大跨径桥梁结构灵活，表现出动态的振动，如抖下风速（Simiu和斯坎伦1996）。在一个细长的大跨度桥梁上，交通也经常存在于它的使用寿命，这可能会影响到细长结构系统的动态特性。桥梁、风、交通（郭、徐2001、蔡、陈2004、2007）之间的动态耦合效应进一步复杂化。细长大跨桥梁的疲劳性能的研究已经被限制到只考虑风荷载（顾等。1999和pourzeynali达塔2005）。疲劳分析是不同的强度或空气动力稳定性问题（例如，颤振），它是集中在最坏情况下的情况，在该研究中，它是一段延长的时间内长桥的设计寿命。作为一个结果，真实地模拟时变荷载和一个细长的大跨度桥梁的响应，并且在它的一生中成为必不可少的疲劳性能的准确预测。

它是已知的随机风和交通负荷，细长的大跨度桥梁的动态交互和疲劳积累随时间的变化，并在本质上是不确定的。 在过去的几十年中，可靠性理论已经应用在结构工程领域的考虑与结构、不确定性的环境、以及由此产生的荷载中（Ellingwood等人。1980；诺瓦克1999）。基于现有的可靠性对桥梁的研究主要集中在短期和中期跨度桥梁（caprani和奥布赖恩2006；爱科技和考虑2004，2005a，b；查和诺瓦克2008）。 细长的大跨度桥梁，只有少数的研究已经完成了气动性能，如颤振和抖振 （成等。2005；pourzeynali和达塔葛等人2002。2000；雅各布森和田中2003）。此外，一些研究人员已经研究了大跨度桥梁通过现场监测数据分析的可靠性（ 考虑和今井等人2004；考虑catbas等人。2008；今井和考虑2002）。到目前为止，对于细长的大跨度桥梁，已经没有研究集中在可靠性为基础的疲劳分析、考虑流量和风载荷以及它们的动态相互作用了。

在本文中，将会展示一种细长的大跨桥梁可靠性评估框架。一开始，介绍基于场景的确定性疲劳损伤分析模型。然后，进行基于可靠性的疲劳寿命预测。最后，使用该模型，用 典型细长大跨桥梁主构件疲劳损伤可靠性指标来评估说明性的目的。

基于场景的典型的一年确定的疲劳损伤模型

确定的方案为基础的疲劳损伤模型对大跨度桥梁主要由两部分组成，其中图1所示 ,这2个部分是（1）分类的代表性场景和（2）确定的疲劳损伤评估的典型的一年. 更多细节将在下面的章节中介绍.

第一部分：场景分类检索

编目方法：

自由流动（T1）

中等流量（T2）

拥挤流（T3）

每小时流量

代表的情景：

方案RS1：k1小时

....

方案RS24：k24小时

AADT

风环境：

W1：1小时

....

W8: 8小时

风向玫瑰图

第二部分：疲劳损伤因子的计算

通过桥梁/交通/风相互作用分析得到有代表性的情景的应力史

采用雨流计数法计数周期（Ni）对应于应力范围（SI）与平均应力（SMI）对于每一组应力历史

采用修正的GOODMAN方程计算时，平均应力指数（SMI）是不是0

计算生命周期Ni的SFI通过S-N曲线

采用Miner法则计算疲劳损伤的因素

图1 基于情景的确定性疲劳分析流程图

第一部分：代表场景的分类

代表的情景

代表场景被定义为覆盖在一个细长的大跨度桥梁的随机交通和风的典型负载组合。根据公路通行能力手册（HCM）（国家研究委员会，2000），对高速公路交通流量通常分为六个层次的服务（LOS）从A到F，从自由流到严重拥堵。在下面的分析中维持可接受的数值模拟工作，合理的简化是必要的。在本研究中，结合类似的LOS，六个层次的服务将分成三个有代表性的交通条件（Ti，i=1–3）：（1）自由（T1）：Asim;B洛；（2）中度（T2）：Csim;D洛；（3）拥堵（T3）：Esim;F洛。博福特风的规模往往是用来定义风的严重程度及风的影响，从1级到12级。 类似于洛，代表风速的定义是结合类似的风条件。在本文中8个具有代表性的风速（Wj,j=1-8）定义为2 m/s（W1），5m/s（W2），8m/s（W3），10m/s（W4），15m/s（W5），20m/s（W6），25m/s（W7）和32m/s（W8），对应的范围的风速区间分别是[0-3.5]、[3.5-6.5]、[6.5-9]、[9-12.5]、[12.5-17.5]、[17.5-22.5]、[22.5-28.5]和[28.5-32](m/s)。 其结果是，一个有代表性的交通条件和一个有代表性的风速将最终产生24种可能的有代表性的情况（RS）的风/交通条件如表1。

表1. 具有代表性的场景

从本地流量和风记录到代表场景的分类过程

运输流量; 在不同的高速公路中（国家研究委员会2000），交通流随不同的时间（数周、数月）将大致遵循类似的趋势。例如，每天的交通流量可能会在早上和晚上达到高峰，此时，大多数人在上班或下班的路上。在这项研究中，当流量和风速均假定为常数时，一个小时被视为基本的时间。当连续的长期流量监测一个特定的桥梁的数据是可以实行的，理论上的流量每小时可以得到统计，只要记录是足够长的。在现实中，长期和连续的交通监测数据具体的桥梁可能不总是可用的，因此从附近的高速公路以及通用数据中采集的数据被认为是一个可以接受的替代。在这种情况下，对某一时刻的流量可以通过从年平均日交通量（AADT）变换计算到月，运用下面的公式变化的流量每周和每小时:

（1）

其中n =一个小时内的车流量（辆/小时）；AADT =年平均日交通量；分别 =一个月，周，小时因素转换AADT流量。

一旦获得任何时间的流动率（N），其中具有代表性的交通条件（TI）将根据LOS的定义分配。 日积月累，研究期间（如一年）可以识别任何代表交通条件下Ti的发生概率。

风环境； 代表风速（Wj，j=1–8）上面介绍的是基于等效风速分（Ueq）垂直于纵桥向。 自然风的速度，包括风速和风向，可与相应的Ueq考虑自然风的方向和桥的横向方向之间的夹角为

(2)

在这里theta;=角桥的横向方向和方向玫瑰图上所示的风间；Un和Ueq 分别=自然和等效风速。

对于一些关键的大跨度桥梁，可能会提供 长期风速监测数据。在这种情况下，实际的历史风数据可以通过定义的自然风速随着时间的推移来实现。如果长期监测数据是不可用的，当地的风玫瑰图靠近桥的网站可以提供每个自然风速（包括风速和方向）在一段时间内提供发生的概率（例如，一个月或一年）。因此，等效风速Ueq可利用式（2），这将对代表风的分类标准检查提前完成分类介绍。因此，每个代表风速Wj 每个月发现的概率（j=1-8）。通过重复的过程，在一年内每个月的风玫瑰图，每一个代表风速每年可获得的累积概率。

交通流与风相结合 交通和风通常被认为是一个相互独立的随机过程，除了在一些罕见的情况下，如极强的风事件（例如，飓风）存在和桥可能是封闭的流量非常短的时间。与这些极端事件相比，正常情况下，风和交通负荷建模的时间可以忽略不计的时间被视为独立于本研究的另一个。

因此，第K代表情况的概率（RSk）可以很容易地通过以下公式计算：

（3）

其中=发生概率的第K代表场景；和分别=发生概率的代表交通状况i和风力条件j。在本研究中 i=1-3, j=1-8 and K=1-24 (3times;8).

所以：“第K代表的总学时情况下H(RSk)发生时间（例如1年）可以很容易通过使用以下公式计算得到

（4）

其中=在研究期间（例如，一年）的时间长度（小时）。

第二部分：典型年份的疲劳损伤评估

每个代表场景（RSk），时间不同应力水平在一个特定的位置的桥梁构件在一小时内将通过桥/交通/风相互作用分析（陈、吴2010年计算）。

在目前的研究中，Miner法则（矿工1945）是用来评估基于应力计算结果的疲劳性能和S-N曲线（S：压力范围；N：失败的周期数）。矿工的规则是一个线性的损伤规则，简化了疲劳寿命预测的假设的疲劳损伤的线性累积时间。S-N曲线是基于负载不变的假设是已知的。现实的负荷性质和等效应力范围和周期随机将来自雨流计数法（matsuishi和内1968）。雨流计数法，已被广泛应用于疲劳损伤评估，是基于应力周期识别到考虑应力时间历程之间的任何随后的两个局部极值

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