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卡车模型改进钢桥疲劳寿命预测
Piya Chotickai\和Mark D. Bowman
摘要：根据印第安纳州三个不同地点的动态称重（WIM）数据，开发了一种新的疲劳载荷模型。在分析桥模型上模拟所记录的卡车交通量，以研究卡车交通荷载作用下桥梁结构的力矩范围响应。桥梁模型包括简单的和两个同样连续的跨度。基于Miner的假设，计算了桥梁模型各个位置的疲劳损伤积累，并与美国国家公路和运输官员协会（AASHTO）240 kN（54-kip）疲劳卡车，带有等效有效毛重的改良AASHTO疲劳车，以及其他疲劳车模型进行比较。 结果表明，在短跨梁中疲劳损伤明显高估。 因此，本研究中开发了两种新型疲劳车。一辆新的三轴疲劳卡车可以用来代表典型高速公路上的卡车交通，而四轴疲劳卡车可以更好地表示重型高速公路上的卡车交通情况，其中8至11轴占主要地位的疲劳损伤卡车。
DOI：10.1061 /（ASCE）1084-0702（2006）11：1（71）
CE数据库主题标题：循环加载; 疲劳寿命; 损伤; 卡车; 桥梁，钢; 预测。
介绍
由于卡车交通，钢桥结构通常会承受多次重复的循环应力。由这些循环应力引起的损伤累积可引发裂纹并导致桥接构件的疲劳失效。为了评估桥梁结构的循环性能，关键细节的疲劳抗力和合适的循环荷载模型都是需要的。美国国家公路和运输官员协会（AASHTO）的载荷和阻力系数（LRFD）规范AASHTO（1998）中的压力 - 寿命方法通常用于桥梁应用以评估疲劳抗力。它利用一系列SN曲线来表示与钢桥结构设计和施工中常用的各类疲劳细节相对应的疲劳强度水平。这些SN曲线是基于通过国家合作公路研究计划（NCHRP）的实验研究计划制定的。
循环载荷模型也是疲劳评估中的重要参数。根据Miner的假设（Miner 1945），通常使用有效应力范围来将变幅幅疲劳行为与恒幅幅疲劳行为（Fisher等1998）。有效的应力范围可以通过两种替代方法获得，即使用应变计数据进行频谱分析和使用合适的疲劳卡车进行结构分析。对于第一种替代方案，有效应力范围可以通过用合适的循环计数程序分解复杂应力（应变）历史获得的应力范围谱的根均方根（RMC）值来确定。 这种替代方法倾向于在日常卡车交通情况下提供实际桥梁响应的准确估计; 然而，需要花费大量的时间和费用来获取和评估数据。
对于疲劳卡车分析，有效应力范围是从适当的桥梁模型的结构分析中计算出来的，施加的载荷以等效的疲劳载荷给出。 该方法的一个有吸引力的特征是它可以方便地用于确定在桥梁结构中出现的有效应力范围。显然，有效应力范围的估计值的准确度取决于疲劳车的构造。理想情况下，应该选择疲劳卡车配置，以便在给定的等效通道数量下，产生与实际卡车交通相同的疲劳损伤。卡车交通负荷由各种车轴重量，车轴间距和卡车总体车辆总重量组成，并且可能因现场而异。因此，为了准确估算随机或可变卡车装载导致的疲劳损伤积累，必须将调查现场的卡车交通特征信息纳入疲劳计算。
本文回顾了当前可用的疲劳卡车模型。在印第安纳州的三个地点收集的动态称重（WIM）数据进行了调查，并将其用作分析桥模型的应用负载。疲劳损伤累积是根据Miner对使用WIM数据构建的卡车交通情况的假设进行计算的。 然后将这些损伤累积量与当前可用的疲劳车辆预测的疲劳损伤进行比较，并将其作为开发疲劳车辆新设计的基础。
图1. AASHTO疲劳车（AASHTO 1990）
可用的疲劳卡车模型
疲劳车通常用于表示具有各种总重量和轴配置的给定现场的卡车交通量。 AASHTO疲劳指南规范（AASHTO 1990）和Laman和Nowak（1996）提出的疲劳卡车模型在本研究中进行了检验。
AASHTO疲劳指南规范（AASHTO 1990）提供了可用于疲劳评估的单一疲劳车。 AASHTO疲劳车是基于Schilling和Klippstein（1978）提出的卡车配置开发的。 然而，AASHTO指南规范（AASHTO 1990）不是使用Schilling疲劳卡车所提出的222-kN（50-kip）总重量，而是规定了240 kN（54-kip）疲劳卡车毛重疲劳强度评估。 车辆总重量代表从WIM研究中获得的实际卡车交通频谱（Synder等，1985），其中包括超过27,000辆卡车和全国30个地点。 其配置大致基于四轴和五轴卡车的轴重比和轴间距，这些卡车占据了典型桥梁中高比例的疲劳损伤。 如图1所示，AASHTO疲劳车的前轴和后轴间距分别为4.27米（14英尺）和9.14米（30英尺），车轴宽度为1.83米（6英尺）。然而，当在调查地点的总重量分布是可用的，有效总重量由方程 （1）可用于修改AASHTO疲劳车的总重量
(1)
其中fi=车辆总重量Wi的卡车发生频率。这个有效的重量必须按照图1所示的相同比例分配到每个轴上。通过使用这种修改，可以预期对于给定的现场可以获得更准确的疲劳损伤累积估计。
Laman和Nowak（1996）在五座钢桥结构上开发了基于WIM测量的疲劳载荷模型。这些结构的有效毛重在278至347千牛（62.4至78.1千磅）的范围内。利用仿真技术研究分析简单梁桥模型中实际交通流引起的力矩范围响应。 通过使用SN线方法和Miner法则,发现受监测结构中高比例的疲劳损伤主要由10轴和11轴卡车支配。此外，根据仿真结果和对WIM数据的分析，Laman和Nowak（1996）提出了两种新型疲劳车（见图2）。建议三轴疲劳卡车为代表两轴至九轴卡车，而四轴卡车则建议用于10轴和11轴卡车。这些疲劳卡车的通道造成的损伤累积等同于相应卡车频谱造成的疲劳损伤，并具有相同的通道数量。已经证明，对于研究中开发的WIM数据库，这两辆疲劳卡车可以提供相对准确的桥梁跨度范围内的疲劳损伤累积估算。
称重运动数据库
近年来，公路和桥梁工程师广泛使用WIM传感器来监测卡车交通。 WIM系统可用于测量实际卡车交通的车辆总重量，轴重和轴间距。 通常，WIM传感器（如称重传感器或压电带）直接安装在道路上，并且相对不显眼。因此，该技术的优点是可以在没有被道路使用者检测到的情况下运行。因此，与重型卡车倾向于避免的静态称重站不同，可以获得无偏差的卡车交通数据（Moses et al.1987）。
在本研究中，从印第安纳州的三个不同地点收集的WIM数据包含在WIM数据库中。 这三个地点的WIM系统使用压电传感器。 图3显示了一个站点的WIM视图。WIM站点被选择来代表执业工程师在进行桥梁结构的疲劳评估时可能会遇到卡车流量特征。对WIM数据的统计进行了检查，以评估这些地点的卡车交通特征。
表1总结了指定的术语，现场描述，记录周期，采样卡车数量和WIM数据库的有效总重量。在站001和站410分别观察到327 kN（73.5 kips）和188 kN（42.3 kips）的最高和最低有效毛重。 同时，车站520的有效总重量为254千牛（57千磅）。 这些有效毛重，使用方程式计算。 （1）展示了卡车交通荷载的特定场地特征，并且它们说明有效重量可能与标准AASHTO疲劳卡车的240-kN（54-kip）毛重相差很大。001号站位于美国印第安纳州西北部重型走廊20号公路沿线。走廊为钢铁生产商和其他制造商提供了运输的重要途径
图2.拉曼诺瓦克疲劳卡车（拉曼和诺瓦克1996年）
运输印第安纳州西北部和密歇根州之间的货物。通过特殊许可证，使用此路线的卡车的法定重量限制为596千牛（134千磅），比典型的州际公路和州级公路的356千牛（80千磅）的法定限制重得多。沿着这条路线行驶的普通卡车类型是多轨车，多轴车（见图4）。
2002年1月在001车站收集的东行卡车交通数据包括22,992辆卡车的样本。表2列出了按轴数分类的卡车百分比分布。发现约45％的卡车运输是五轴卡车，而八轴至11轴卡车占卡车总流量的14％。 图5（a）显示了该车站记录的卡车交通的总重量分布。发现最大毛重高达961千牛（216千磅）。
第二个WIM站点，被称为410站，位于印第安纳西北部的I-65。 2002年8月收集的4天南向卡车交通数据包括21856辆卡车的样本。 总重量分布如图5（b）所示。观察到最大毛重为455千牛（102.3千磅）。该站点的大部分卡车运输都是五轴卡车，占卡车总人数的约84％。
图3.工作站001上的WIM传感器和控制回路
第三个WIM站点称为站520位于美国50号路线在印第安纳州东南部。2002年5月收集的东行卡车交通数据包括16,696辆卡车的样本。图5（c）显示了记录的卡车交通的总重量分布。记录的最大总重量为713千牛（160.3千磅）。在这个车站卡车运输量的百分比最高的是双轴卡车，约占卡车总流量的47％。而且，只有0.25％的卡车交通拥有五个以上的车轴。
WIM数据库的分析结果
Palmgren-Miner的假设是最广泛使用的疲劳损伤累积模型之一。它假设线性损伤积累并忽略序列和平均压力效应。 因此，应力历史中每个周期的疲劳损伤是独立的。 根据Miner法则，累积疲劳损伤（D）等于每个应力周期造成的损伤总和，如公式（2）所示。
（2）
其中Ni和ni分别为耐疲劳性和第i个应力范围的循环次数。由于静态和动态响应的组成，每个卡车通道桥梁的应力历史都很复杂。通过使用雨流计数法（疲劳和断裂可靠性委员会，1982），应力历史可以分解为初级和高阶应力范围。主应力范围是应力历史中的最大应力范围，而其余的逆转是高阶应力范围。
Schilling（1984）证明，由单个卡车通道引起的复杂应力循环的疲劳损伤积累可以由主应力范围或最大应力范围的疲劳损伤表示，其中等效循环次数（Ne）由SRP=最大
（3）
应力范围; 和SRI=高阶应力范围。对于所有AASHTO疲劳类别的详细信息，斜坡常数（m）大约等于3（Keating and Fisher 1986）。尽管Eq以应力范围表示，也可以根据线性弹性行为的时间范围，根据它们成比例的假设来计算。通过使用等效周期数和Miner规则的概念，每辆卡车通道造成的疲劳损伤累积可写为：
（4）
其中Ni=对应于每个应力的疲劳强度（循环）在压力历史中的范围; b =被评估细节的SN线截距。开发了一个计算机程序来模拟分析桥模型上的实际卡车交通流量，包括一个跨度相等的简单跨度和两跨度结构。模拟桥跨度从9到37米（30到120英尺），增量为3.05米（10英尺）。为三个桥梁站点开发的WIM数据库用于输入加载。在简单的中间跨度上监测静态力矩范围。
图4.重载公路上的多轴车
横梁，连续梁的中间支撑以及连续梁的中间跨度。每个卡车通道引起的瞬间循环均采用雨流计数法进行分解。然后确定每个卡车通道的最大力矩范围和等效循环次数。该程序适用于WIM数据库中的所有卡车。表3-5中提供了一个仿真结果的样本。表格中包含了9,18和37米（30,60和120英尺）桥跨的最大弯矩范围和有效弯矩范围。最大力矩范围是卡车在载荷谱内引起的单个最大力矩差，而有效力矩范围是由卡车载荷谱引起的有效加权力矩差。后者的值由下式给出
（5）
其中fi=卡车在特定时间范围内的频率，Mri。结果表明，在记录的卡车交通数据中，001站在所有跨度中的有效矩最高，其次是站520和410。这与在这三个站观察到的有效总重量的顺序一致。所有卡车的每次通过的平均循环次数如图6所示。 这个数量是通过使用方程式计算出的平均值来确定的。（3）三个地点的每个卡车通道。很明显，当跨度长度超过15米（50英尺）时，简单梁和连续梁的中间跨度上每辆卡车通过的平均循环数接近1。然而，连续梁的中间支撑的平均循环次数增加跨度超过12米（40英尺）。结果还表明，站520在连续梁的中间支撑处具有比站410更高的每通道平均循环次数。这是因为站520具有高比例的两轴和三轴卡车，这倾向于造成与具有更多车轴的卡车相比，长跨距的循环次数更高。另一方面，站410在简单波束和连续波束的中跨处的平均循环次数略高于站520.这种差别的主要原因在于，五轴卡车（410站的大多数卡车类型）往往会造成比短轴梁中跨处的两轴和三轴卡车更多的循环次数。通过采用Eq。（4）计算每种卡车类型引起的疲劳损伤累积百分比。 图7显示了由两轴和三轴引起的疲劳损伤百分比，四轴和五轴，以及8至11轴卡车，位于简单梁架中跨处。结果表明，由四轴和五轴卡车以及八轴至十一轴卡车引起的疲劳损伤总和占总数的86％以上。此外，在15米（50英尺）以上跨度的简支梁的中跨处，轴式卡车造成的总疲劳损害超过50％。鉴于这些卡车的总数仅占卡车运输量的14％，这一比例相对较高。 在长桥跨度中，由8轴至11轴卡车造成的疲劳损伤倾向于克服由四轴和五轴卡车造成的损坏。这是因为重载的8至11轴卡车比长轴卡车的4轴和5轴卡车造成的时间要长得多在410站，四轴和五轴卡车造成总体疲劳损伤的95％以上。车站的大部分疲劳损伤主要由四轴和五轴卡车支配。它们占疲劳损伤总量的大约70％，而两轴和三轴卡车造成该车站疲劳损伤的大约30％。发现多轴桥在连续梁构件的中跨和中间支撑处的疲劳损伤百分比与图7中对于简支梁构件所示的趋势类似。
各种疲劳卡车的评估
通过模拟卡车数据库获得的疲劳损伤积累与240-kN（54-kip）AASHTO疲劳卡车，改良的AASHTO疲劳卡车和拉曼疲劳卡车预测的疲劳损伤进行了比较。根据WIM数
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