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用以提高钢桥疲劳寿命预测的卡车模型
摘要：一个新的疲劳荷载模型被应用，其是基于来自印第安娜三个不同地点收集得到的动态称重数据。记录的货车交通量被用来模拟分析在货车荷载下桥梁结构的弯矩响应范围。这个桥梁模型包括单跨简支梁和等距两跨连续梁。基于Miner的假设，在桥梁模型的不同部位计算得到的累计疲劳损伤与240KN重的美国国家公路和运输官方协会具有等效有效总重的疲劳卡车和其他疲劳卡车模型车辆作用于桥梁结构的预期疲劳损伤相比，结果表明疲劳损伤在短跨度梁中明显提高。因此，在本研究中两个新的疲劳货车被开发。新三轴疲劳货车可以用来代表典型公路上的货车交通，在以8至11轴货车为主的疲劳损伤占重要比例的重型公路，一辆四轴疲劳货车能更好地代表货车交通.
数据库检索关键字：循环荷载；疲劳寿命；损伤；货车；钢结构桥梁；预测。
引言
钢结构桥梁经常受到重型货车的循环荷载作用，由这些循环荷载的作用会引起桥梁结构的疲劳开裂，以至于发生桥梁构件的疲劳破坏。为了评定桥梁结构物在循环荷载作用下的性能，抗疲劳性能的主要细节和一种荷载循环模型缺一不可。这种荷载模式接近于美国国家公路管理运输局的荷载大小，抗力系数规范在桥梁结构中被应用于评价其抗疲劳特性。它利用一种S-N曲线来表示对应于不同类别的疲劳强度等级疲劳细节设计与施工中常用钢桥结构。这些曲线的实验研究项目通过国家公路合作研究计划的主持下进行开发。基于Miner假设。
循环荷载模型也是疲劳评价中的一个重要参数。一个有效的应力范围通常用于可变振幅的疲劳行为与恒定振幅疲劳行为。这有效应力范围内使用合适的疲劳卡车，可以得到两个替代品，即频谱分析使用应变计数据和结构分析。对于第一种选择，有效应力范围，可以确定从一个根平均立方值的应力范围谱通过分解一个复杂的应力历史与一个合适的循环计数程序。这种替代往往提供准确的估计，在常规卡车交通的实际桥响应。然而，获取和评估数据需要耗费大量的时间和金钱。
对于疲劳卡车的分析，有效应力范围计算从一个合适的桥梁模型的结构分析与施加的负载给定的等效疲劳卡车中界定。该方法的一个有吸引力的特点是，在桥梁结构中，它可以方便地使用，以确定一个有效的应力产生范围。这个有效应力范围的估计值的准确性，显然，取决于疲劳卡车的配置。理想情况下，应选择疲劳卡车配置，以至于它会导致相同的疲劳损坏作为给定的等效通道数的实际重车交通。重车交通荷载组成的各种轴重，车轴间距，和车辆总重量的卡车人口，从一边到另一边可以显着变化。因此，要准确地估计随机或可变的货车荷载所造成的疲劳损伤积累，纳入卡车交通特性在调查现场的疲劳计算，它是必不可少的信息。
本文综述了目前可用的疲劳卡车模型。称重运动数据收集来自在印第安娜三个地点进行了调查和分析桥梁模型的应用荷载。疲劳损伤累积计算，基于Miner假设卡车交通配置文件使用的WIM数据构造。这些损伤累积相比，由目前可用的疲劳卡车的疲劳损伤预测，并作为一个基础，在开发一个新的设计的疲劳卡车。
获得性疲劳货车模型
疲劳卡车通常用于在一个给定各种毛重和车轴配置的卡车交通中。在AASHTO疲劳指导规范和那些由Laman和诺瓦克1996提出的疲劳货车模型被现在的试验所检验着。AASHTO疲劳指导规范AASHTO 1990提供一个单一的可用于疲劳寿命评估的疲劳车。AASHTO标准疲劳车是基于Schilling和Klippstein提出了一个卡车的配置。然而，AASHTO指南规范规定240吨总重量的疲劳车的疲劳强度评价，而不是使用222吨总重量的疲劳车。这种车辆总重量代表从WIM的研究获得的包括27000多辆卡车和全国30个站点的实际车流量范围。它的结构近似的车轴重量比和轴间距为四-和五轴卡车，占主导地位的典型桥梁的疲劳损伤的比例很高。AASHTO标准疲劳车的前部和后部分别为4.27 m和9.14 m，轴间距，以1.83-m轴宽度，如图1所示。然而，当一个调查站点的总重量分布是可用的，有效的毛重确定从Eq。当卡车通过频率和车辆毛重wi知道的前提下，(1)式可以用来修改AASHTO疲劳车的总重量。在相同的比例下，此有效重量必须分配到每个轴，如图1所示。通过使用此修改，可以预期，一个给定的站点，可以得到更准确的估计的疲劳损伤累积。
拉曼和诺瓦克1996开发了一个基于五座钢桥梁结构在动态称重测量的疲劳荷载模型。在这些结构的有效总重量在278至347千牛的范围内。利用模拟技术研究了实际交通流分析简支梁桥模型的力矩响应范围。采用S-N线法和Miner法则，发现在监测结构的疲劳损伤率高是由10和11轴货车为主。此外，基于仿真结果和动态称重系统的数据分析，拉曼和诺瓦克1996年提出了两种新的疲劳卡车，见图2。三轴疲劳卡车建议是两到九轴卡车的代表，而四轴卡车建议的10和11轴卡车。这些疲劳卡车的通道所造成的损伤累积相当于相当数量的通道所对应的卡车频谱所造成的疲劳损伤。结果表明，在研究开发的WIM数据库，这两个疲劳卡车可以提供疲劳损伤累积在一个范围内的桥横跨一个较为准确的估计。
动态称重数据库
称重传感器已广泛使用，近年来被公路和桥梁工程师用于监控车流量。动态称重系统可以用于测量车辆总重、轴重、和实际的卡车交通轴间距。通常，该称重传感器，如传感器或压电片，是直接安装在道路上的，其一般不会被发现。因此，该技术的优点是，它可以被操作，而不被驾驶人员检测到的。因此，与静态称重站相比，所有重型卡车，无偏卡车交通数据都可以得到。
动态称重系统的数据来自印第安娜三个不同地点收集包括在本研究中一个WIM数据库。动态称重系统在三个地方使用了压电传感器。一个站点一个视图的动态称重如图3所示。WIM的几个测点被选为代表的各种卡车交通的特点，工程师可能会遇到执行的桥梁结构疲劳寿命评估的时候。动态称重数据的统计观察车流量特性在这些测点。表1总结了指定的命名、网站描述、记录时间、采样车数，和WIM数据库有效毛重。最高和最低有效总重量为327千牛和188千牛的观察站分别为001和410。同时，在测站520被测得的一个有效总重是254千牛。这些有效的总重量，利用公式1计算，证明车交通荷载定位的特点，并说明了有效重量可从标准AASHTO疲劳车240千牛54基普总重量大大不同。测站001位于美国沿西北部的20号重型车道路线上。这条道路为钢铁生产商和其他制造商在印第安娜西北部和密歇根州之间运输货物提供了重要途径。有了特别许可证，使用这条路线的卡车的法定重量限制为596千牛，这是重于典型的州际公路和州公路规定的356千牛的法律限制。一个常见的卡车沿着这条路线的旅行是一种轨迹，多轴车辆见图4。
表1，地点描述
|
测站 |
位置描述 |
监测方向 |
时间段 （开始–结束） |
采样车数 |
Weq（kN） |
|
001 |
美国市20号公路，密歇根城 |
东行 |
1/1/02-1/31/02 |
22992 |
327 |
|
410 |
伦塞勒 |
南行 |
8/1/02–8/4/02 |
21856 |
188 |
|
520 |
美国市50号公路 |
东行 |
5/1/02–5/31/02 |
16696 |
254 |
2002年一月在第001采集站收集包括了22992辆货车样本的东运货车交通数据。按车轴数量分类的卡车的百分比分配数据见表2。结果发现，约45%的卡车交通是五轴卡车，而8-11轴卡车只占到卡车总流量的14%。在本站记录的卡车交通总重量分布如图5A所示，其中最大重量为测为高达961kN。
第二WIM网站，被称为410站，位于印第安娜西北部的I-65。在2002年8月份收集了包括21856辆货车样本的货车流量数据。其总重量分布如图5B所示。观测到的最大总重为455kN。在这个测站的卡车交通大部分是五轴卡车，约总卡车总数的84%。
被称作520站的第三WIM测站位于印第安娜东南部的美国50路。2002年5月份，该站收集到16696辆东运卡车的交通数据流量资料。图5C表明了记录的卡车流量的总重量分布，其中最大记录总重量被认为是713kN。在这一测站的卡车运输的比例中，最高的主要是两轴卡车，约占总卡车交通的47%。此外，只有0.25%的卡车交通有超过五车轴。
WIM数据分析结果
帕尔姆格伦假设是应用最为广泛的一种疲劳损伤累积模型。它假定疲劳损伤是线形累积的，并且忽略了序列和平均应力的影响。因此，历次的疲劳损伤都是相互独立的。根据Miner法则，累积的疲劳损伤D等于每一个应力循环所造成的损伤的总和，如公式2所示分别计算出Ni和ni的次数，每个卡车通道的桥梁的应力历史是复杂的，是静态和动态响应相结合的。
利用雨流法的应力历史可以分为原发性和高阶应力范围计数。主应力范围是应力历史上的最大应力范围，而剩余应力则是高阶应力范围。林女士1984表明疲劳损伤累积的复杂应力循环由一个卡车通道引起的，可由原发或最大一个相当数量的周期应力范围那里的S-N曲线中的mslope常数确定疲劳损伤表现。Srp是最大的应力范围。Sri是最早的应力范围。斜率常数m约等于3的所有AASHTO疲劳类的细节。
虽然公式3表示的应力范围内，它也可以计算出结果在线弹性假设范围内是成比例的。通过使用相当数量的循环和的Miner规则的概念，每个卡车通道造成的疲劳损伤积累量可以写成：
其中Ni为历次疲劳损伤次数。B可由S-N曲线计算出来。一个计算机程序被开发出来模拟实际的卡车交通流分析桥梁模型，包括单跨度和两跨相等的梁桥。模拟桥梁跨度为9～37米，按3.05m增量增加。由WIM开发的三座桥梁被加载。在简支梁的中跨、连续梁的中间支撑和连续梁的中跨处监测了静弯矩范围。每辆汽车通过产生的瞬时弯矩被雨流计数法分解了。然后确定每个卡车通道的最大弯矩范围和等效周期数。本程序适用于所有的卡车在WIM数据库。
模拟结果的样本在表3-5中提供。表中包含了桥跨的最大扭矩范围和有效力矩范围。最大弯矩范围是货车在载荷谱范围内引起的最大弯矩差，而有效弯矩范围是由货车荷载谱引起的有效加权力矩差。后者的值是由以下公式计算出：
其中fi为卡车在特定时刻范围内的频率。结果表明，在记录的卡车交通数据，站001在所有跨度范围中有最高有效力矩，其次分别是是520站和410站。这是在这三个测站观测到的一致的有效总重量。
图6所示的所有站点的每辆车的每通道的等效循环数的平均值为三。这个数据利用采取的平均样本值由公式3所计算出来的。很明显，当桥梁跨度超过15m时，在中间跨度的简单梁和连续梁上平均每个卡车通道的周期相近。然而，在中间支撑的连续梁的平均数目增加跨度超过12米。研究结果表明，站520比站410由较高的汽车通行平均次数。这是因为520号站有两个和三轴卡车的高比例，这往往会导致较高的等效周期数在长跨度比卡车有更多的车轴。另一方面，410站比站520在简支梁和连续梁中跨有更高的平均周期数。不同的主要原因是，五轴卡车，大多数卡车类型在车站410，在中间跨度短梁成员往往会导致更多的周期比两个和三轴卡车。
采用公式4，可以计算每个卡车类型所造成的疲劳损伤累积百分比。图7给出了在一个简单的梁跨中由两个、三个、四个、五个、八个轴引起的疲劳损伤百分比，结果表明，在车站001由四-和五轴卡车和八- 11轴卡车造成的疲劳损伤的总和贡献了超过总损伤累积的86%。此外，在超过15m以上的中间跨度简支梁中，八- 11轴卡车造成超过50%的总的疲劳损伤，这个百分比是比较高的，因为这些卡车的总数只有14%的卡车交通。在长桥跨度中，由八到11轴卡车造成的疲劳损伤往往可以克服由四和五轴卡车造成的损坏。这是因为重载八- 11轴卡车在长跨度梁上比四-和五轴卡车。
在车站410，四-和五轴卡车提供了超过95%的总的疲劳损伤。大部分的疲劳损伤占主导地位的四和五轴卡车在车站520。他们占了约70%的总的疲劳损伤，而两个和三轴卡车造成约30%的疲劳损伤在此站。多轴卡车的疲劳损伤在中跨和连续梁成员的中间支持被发现有一个类似的趋势，如图7 所示。
各种疲劳卡车的评估
从汽车库的仿真得到的疲劳损伤积累与240KN改性后的AASHTO疲劳车预测疲劳损相比，有效的车辆总重量计算从WIM数据被分为改良AASHTO疲劳车的总重量。为了比较实际的卡车交通和各种疲劳卡车造成的疲劳损伤累积，损伤率如下：
其中Srpi为卡车的最大应力范围；SFT为疲劳试验车的应力范围。Mrpi为卡车的主或最大力矩范围；Mr为疲劳试验车的力矩范围；Nei为卡车每通道的等效循环次数；NC为疲劳卡车每通道当量循环次数；Nt为疲劳卡车通道总数。由于不需要疲劳的细节和分类，损伤比被用来比较。具体表现在损伤方面取消了相应的分母
通过模拟疲劳卡车的分析桥梁模型，过这些疲劳卡车对有效弯矩范围和相当数量的每通道通进行了测定。然后计算每个疲劳卡车模型的损伤率。应该指出的是，Laman和诺瓦克1996提供了一
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