趙少杰，任偉新

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410075；2. 湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南 長沙，410008；3. 中南公路建設(shè)及養(yǎng)護(hù)技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙，410008；4. 合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥，230009)

超限超載交通對橋梁疲勞損傷及可靠度的影響

趙少杰1,2,3，任偉新1,4

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410075；2. 湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南 長沙，410008；3. 中南公路建設(shè)及養(yǎng)護(hù)技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙，410008；4. 合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥，230009)

為了簡便、快速地評估交通荷載對橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷的影響，采用定性分析結(jié)合數(shù)據(jù)擬合的方法建立車輛荷載參數(shù)與結(jié)構(gòu)疲勞損傷度之間的量化關(guān)系。根據(jù)疲勞極限狀態(tài)方程，考慮到應(yīng)力與內(nèi)力的關(guān)系，獲得疲勞損傷度與疲勞可靠度之間的關(guān)系，并進(jìn)一步建立車輛荷載參數(shù)與結(jié)構(gòu)疲勞可靠度之間的量化關(guān)系式，為準(zhǔn)確、快捷地評估車輛荷載對結(jié)構(gòu)疲勞損傷及可靠度的影響提供一種實(shí)用方法。根據(jù)該關(guān)系式，分析超載超限交通對結(jié)構(gòu)疲勞可靠度的影響。研究結(jié)果表明：簡支梁結(jié)構(gòu)的疲勞可靠度隨著荷載系數(shù)K的增大呈對數(shù)關(guān)系降低；較大的車輛軸距對降低結(jié)構(gòu)的疲勞損傷、提高疲勞可靠度有利。

橋梁工程；疲勞可靠度；統(tǒng)計(jì)擬合；疲勞損傷；超載超限交通

橋梁的疲勞荷載及其在疲勞荷載作用下的結(jié)構(gòu)安全可靠度問題一直是工程界研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[1?2]。我國公路橋梁疲勞荷載模型的研究及建立相對滯后，直到2015年才在JTG D64—2015和 JTG D60—2015中明確提出汽車疲勞荷載的標(biāo)準(zhǔn)模型[3?4]，其模型的適用性還需要在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步驗(yàn)證。目前，隨著我國交通的不斷發(fā)展，超載超限車輛越來越多，如何快速、準(zhǔn)確地評估橋梁結(jié)構(gòu)在超載超限交通作用下的疲勞安全性是一個有重要應(yīng)用價(jià)值的問題。目前，國內(nèi)外對超載交通下橋梁疲勞可靠度的研究較少，對疲勞車輛荷載的選取也較隨意。一般采用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)疲勞車模型[5]或隨機(jī)選取交通重車作為疲勞荷載[6]進(jìn)行加載，缺乏對引起疲勞問題的超載超限交通荷載進(jìn)行系統(tǒng)分析，且對疲勞損傷的計(jì)算多基于有限元方法或雨流法等計(jì)算手段[7?9]，評估存在隨機(jī)性，計(jì)算過程復(fù)雜，不便于工程應(yīng)用。近年來，隨著橋梁健康監(jiān)測的興起，一些研究者基于實(shí)測車輛動態(tài)稱重(WIM)數(shù)據(jù)對橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞損傷及壽命進(jìn)行了評估研究[10?11]，但由于計(jì)算過程繁瑣，不便于實(shí)際工程應(yīng)用，存在較大局限性。為此，本文作者基于我國典型地區(qū)大量車輛動態(tài)稱重系統(tǒng)的實(shí)測交通數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地分析車輛荷載各參數(shù)對結(jié)構(gòu)疲勞損傷的影響，并建立各荷載參數(shù)與橋梁疲勞損傷及其可靠度之間的量化關(guān)系，以便快速、簡便地根據(jù)實(shí)測交通車輛動態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)對簡支梁結(jié)構(gòu)的疲勞損傷及安全可靠度進(jìn)行分析評估。

1 各地區(qū)車輛荷載數(shù)據(jù)采集

車輛荷載模型的研究基礎(chǔ)是車輛荷載。根據(jù)全國各地埋設(shè)的動態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM)并結(jié)合人工調(diào)查，獲得了廣東、黑龍江、貴州等 6個省份 2013—2015年54萬多組車輛WIM數(shù)據(jù)。通過收集的WIM數(shù)據(jù)，分析各地區(qū)車輛荷載的統(tǒng)計(jì)分布特征，如車型比例、軸重力、軸距及車輛間距(簡稱車距)分布等，為后續(xù)疲勞損傷及可靠度的分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過統(tǒng)計(jì)分析獲得的各地區(qū)車輛荷載主要特征見表 1，其中湖南省樣本中未統(tǒng)計(jì)小轎車。

從表1可見：各省份地區(qū)汽車荷載均存在超載現(xiàn)象，其中貴州、湖南和湖北的超載程度較大。

2 結(jié)構(gòu)的相對疲勞損傷

由疲勞累積損傷模型，結(jié)構(gòu)的疲勞性能可用S?N曲線描述，其曲線方程為

表1 車輛荷載樣本特征統(tǒng)計(jì)Table 1 Characteristic statistics of vehicle loads sample

式中：N為應(yīng)力幅值作用總次數(shù)；S為應(yīng)力幅值；C為材料疲勞細(xì)節(jié)參數(shù)；m為疲勞強(qiáng)度曲線參數(shù)，對鋼結(jié)構(gòu)，一般取3.0[12]。Miner線性累積損傷理論為

式中：D為疲勞損傷度；ni為對應(yīng)第 i級應(yīng)力水平的應(yīng)力循環(huán)數(shù)；Ni為對應(yīng)第i級應(yīng)力水平的疲勞壽命。由式(1)和(2)可得

式(3)為結(jié)構(gòu)疲勞損傷的計(jì)算式，其中，Si為第 i級應(yīng)力幅值。若以結(jié)構(gòu)的內(nèi)力幅Mi作為統(tǒng)計(jì)參量替代Si，暫不考慮 C的影響，則可定義相對疲勞損傷 Dc描述外荷載對結(jié)構(gòu)造成的損傷程度，即

式中：Dc為結(jié)構(gòu)相對疲勞損傷度；Mi為第i個內(nèi)力幅，對梁結(jié)構(gòu)，一般為彎矩幅；Me為等效內(nèi)力幅。

3 相對疲勞損傷度的計(jì)算

采用影響線加載及雨流法統(tǒng)計(jì)等傳統(tǒng)方法對結(jié)構(gòu)疲勞損傷進(jìn)行精確計(jì)算不僅費(fèi)時費(fèi)力，而且依賴于準(zhǔn)確的實(shí)測車輛荷載譜[13]。由于實(shí)際車輛荷載狀況的復(fù)雜性和隨機(jī)性，調(diào)查中很難全面、準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)各交通參數(shù)，且即使采用大量參數(shù)也很難準(zhǔn)確地描述實(shí)際荷載，故很難建立荷載參數(shù)與結(jié)構(gòu)疲勞損傷之間的精確關(guān)系式。但為了能簡便、快捷地評估車輛荷載對結(jié)構(gòu)疲勞損傷及安全可靠度的影響，采用定性分析結(jié)合數(shù)據(jù)擬合的方法，建立各主要交通車輛荷載參數(shù)與結(jié)構(gòu)疲勞損傷度之間的量化估算關(guān)系式。

車輛參數(shù)對結(jié)構(gòu)Dc的影響十分復(fù)雜。首先分析簡支梁結(jié)構(gòu)，暫不考慮多車道影響。通過對表1中采集的大量車輛 WIM 數(shù)據(jù)進(jìn)行不同跨徑的梁跨中截面疲勞累積損傷模擬計(jì)算，并采用雨流法計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)其彎矩幅值和循環(huán)次數(shù)，分析不同交通參數(shù)變化下結(jié)構(gòu)的相對疲勞損傷度，以獲得Dc與各參量之間的關(guān)系。

3.1 橋梁跨徑(影響線長度)對Dc的影響

由式(4)可知：Dc與彎矩幅Me的m次方成正比。對于簡支梁結(jié)構(gòu)，由結(jié)構(gòu)力學(xué)，在單車軸集中荷載作用下梁跨中彎矩與跨徑(影響線長度)成正比。對多軸情況，還需考慮軸距的影響。對兩軸車的模擬損傷計(jì)算結(jié)果表明，Dc與橋梁跨徑和平均軸距之差的m次方成正比關(guān)系。對于其他軸數(shù)車型，則可等效化為兩軸車形式，即采用等效軸距的方式考慮多軸距對Dc的影響，則有 Dc∝(L -le)m。其中：L為橋梁跨徑；le為等效軸距，可由各車型的最大軸距近似等效計(jì)算獲得，即

k為車型軸數(shù)，取2～6；λk為各車型數(shù)量占比；lkmax為各車型的最大軸距均值。

圖1所示為雨流法計(jì)算的廣東省相對疲勞損傷度與采用上述擬合公式計(jì)算的損傷度對比結(jié)果，其中m取3.0。從圖1可見：采用雨流法所得結(jié)果與采用擬合公式所得結(jié)果吻合良好，也驗(yàn)證了Dc與 ( L - le)m成正比的關(guān)系。

圖1 跨徑與Dc關(guān)系曲線Fig. 1 Relationship between span and Dc

3.2 軸重力對Dc的影響

軸重力是車輛荷載最主要的參數(shù)之一。為了更有針對性，分別研究不同車型(車軸數(shù))情況下的軸重力對結(jié)構(gòu)相對疲勞損傷度的影響。首先根據(jù)各類車輛的軸重力計(jì)算獲得每類車的第j軸的等效軸重力Wej[14]，即

式中：Wij為各類車的第i輛車第j軸的車軸重力；Ncj為計(jì)算時間內(nèi)經(jīng)過橋梁的每類車的車輛數(shù)。由各軸等效軸重力求和得到每類車的等效車重力，再由下式可求得總的等效車重力We：

由結(jié)構(gòu)力學(xué)可知：在結(jié)構(gòu)為線彈性條件下，簡支梁跨中彎矩與其上的軸重力成正比。由相對疲勞損傷度定義，Dc與軸重力的m次方成正比，考慮到軸重力與等效車重力的線性關(guān)系，則Dc也應(yīng)與總等效車重力We的m次方成正比，即 D ∝Wm。

對于多車道加載情況，需要對We進(jìn)行修正，可參考JTG D60—2015就多車道情況的修正系數(shù)對內(nèi)力幅多車道荷載效應(yīng)進(jìn)行修正。

3.3 車輛數(shù)Nc對Dc的影響

由相對疲勞損傷度的定義，Dc與內(nèi)力幅的總作用次數(shù)N成正比，而N取決于車輛數(shù)、軸距及車距。暫不考慮車距及軸距的影響，則內(nèi)力幅作用次數(shù)N與車輛數(shù) Nc成正比，故 Dc也與車輛數(shù) Nc成正比，即Dc ∝Nc。

3.4 車距、軸距對Dc影響及Dc的計(jì)算式

根據(jù)上述分析，可建立單車道加載情況下簡支梁跨中Dc的計(jì)算式：

式中：A為與車距、軸距及軸重力分布有關(guān)的無量綱系數(shù)，稱為相對疲勞損傷系數(shù)。圖2所示為不同省份車輛及不同車距作用下，采用雨流法計(jì)算獲得相對疲勞損傷度后換算獲得的A與橋梁跨徑的關(guān)系曲線。

從圖2可見： A隨跨徑不同分為前、后2段不同的變化趨勢；車距越大，相對應(yīng)的A越大，但所有曲線對應(yīng)的趨勢分界點(diǎn)基本不變。分析表明：趨勢分界點(diǎn)L0與等效軸距有關(guān)，考慮到一般車輛軸距的范圍，分界點(diǎn)L0偏保守，可取20 m。則根據(jù)圖2可分以下2種情況進(jìn)行討論。

圖2 A隨跨徑的變化曲線Fig. 2 Changing curves of A with span

1) 當(dāng)L≥20 m時，A與跨徑呈良好的線性關(guān)系，其變化曲線可用下面函數(shù)表示：

式中：L0=20 m；kL為擬合系數(shù)，kL=2.0×10?5；A0為跨徑20 m時對應(yīng)的損傷系數(shù)。計(jì)算結(jié)果如下。

① 當(dāng)l/L≥1時(l為車輛平均間距)，計(jì)算表明A0取值范圍為0.001～0.003，其大小與車輛軸距及軸重力分布有關(guān)，軸重力分布集中時取大值，反之取小值，故可采用等效軸距l(xiāng)e計(jì)算確定。即當(dāng)le=3.5 m時，A0取0.003，當(dāng)le=7.5 m時取0.001，le在3.5～7.5之間取值時可線形內(nèi)插。當(dāng)無實(shí)測數(shù)據(jù)時，A0可統(tǒng)一取中間值0.002。

② 當(dāng)l/L＜1時，A0取值需考慮車輛間距的影響。車距對Dc的影響主要體現(xiàn)為多車效應(yīng)[14]。為了分析車距對Dc的影響，計(jì)算20 m跨徑簡支梁在相同車輛作用下不同車距時的梁跨中斷面相對疲勞損傷度，并繪制出損傷系數(shù)A0隨l/L的變化曲線，見圖3。

圖3 20 m跨徑時損傷系數(shù)A的變化曲線Fig. 3 Change curves of damage factor A for 20 m span

從圖3可見：當(dāng)l/L＜1時，A0與l/L呈線性變化關(guān)系，且其變化率(直線斜率)保持不變，則 A0可表達(dá)為

式中：kL0為A0對應(yīng)的擬合斜率，kL0=0.002；AL0為A0對應(yīng)的擬合縱截距，AL0=0.000 5。此外，當(dāng)l/L≥1時，在相同車流作用下，疲勞損傷度趨于定值，即當(dāng)平均車間距大于跨徑時，可按單車過橋來計(jì)算結(jié)構(gòu)相對疲勞損傷度，A0與車距無關(guān)。這也印證了 l/L≥1時 A0取定值的結(jié)論。

2) 當(dāng)L＜20 m時，A受車輛軸距的影響較大，與跨徑不再呈線性關(guān)系。

3.5 相對疲勞損傷度Dc計(jì)算式的驗(yàn)證

采用貴州、廣東等省份采集的日交通量 WIM 數(shù)據(jù)，對跨徑為20 m和40 m的簡支梁，分別采用雨流統(tǒng)計(jì)的精確算法和式(9)對其進(jìn)行疲勞損傷度計(jì)算，其中，A統(tǒng)一取0.002，其相對誤差見表2。

從表2可見：采用式(9)計(jì)算的相對疲勞損傷值與精確損傷值較吻合，最大相對誤差在10%以內(nèi)。若采用實(shí)測數(shù)據(jù)特征獲得的A計(jì)算，其損傷誤差將更小。

表2 相對疲勞損傷度比較Table 2 Comparison of relative fatigue damage

4 車輛荷載參數(shù)與疲勞可靠度的關(guān)系

首先建立結(jié)構(gòu)相對疲勞損傷度Dc與疲勞可靠度β之間的關(guān)系。根據(jù)式(3)，有

式中：Se為等效應(yīng)力幅。以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為變量，根據(jù)上式可建立結(jié)構(gòu)的疲勞極限狀態(tài)方程：

式中：N0為對應(yīng)疲勞破壞臨界狀態(tài)所經(jīng)歷的應(yīng)力幅作用總次數(shù)；D0為臨界累積損傷。則橋梁某構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞失效時的失效概率為

式中：β為可靠度指標(biāo)；(1)φβ-為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。一般地，C和 D0為隨機(jī)變量且均服從對數(shù)正態(tài)分布[12?14]。根據(jù)一次二階矩法，有

其中：0Dμ和0Dσ分別為lnC的均值和標(biāo)準(zhǔn)差；Cμ和和Cσ分別為0lnD的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。參考美國AASHTO規(guī)范[12]，C的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差取值見表3。

表3 AASHTO典型疲勞細(xì)節(jié)參數(shù)C取值Table 3 C values of typical fatigue detail in AASHTO MPa

NYMAN等[15?17]對大量的疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)臨界損傷D0服從對數(shù)正態(tài)分布，均值為1.0，變異系數(shù)δ為0.3。

當(dāng)結(jié)構(gòu)形式、尺寸和材料確定時，在疲勞荷載作用范圍內(nèi)，其應(yīng)力幅與荷載可以假定為線性關(guān)系。對一般梁結(jié)構(gòu)，荷載產(chǎn)生的應(yīng)力幅與彎矩幅有如下關(guān)系：

式中：W為截面抵抗矩，與截面尺寸有關(guān)；Me為修正后的截面等效彎矩幅值；ks為考慮應(yīng)力集中等結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)影響的修正系數(shù)，一般可取1.0。由式(4)，(15)和(16)可得

式(17)即為結(jié)構(gòu)相對損傷度Dc與疲勞可靠度β之間的關(guān)系式。將式(9)代入式(17)，化簡后可得簡支梁跨中截面疲勞可靠度與車輛荷載參數(shù)之間的關(guān)系式：

從式(18)可見：對特定橋梁結(jié)構(gòu)，可靠度 β只與車輛數(shù)、車重力、等效軸距及車距有關(guān)。通過式(18)可分析各參數(shù)對疲勞可靠度的影響。

5 超載超限交通對疲勞可靠度的影響

5.1 荷載系數(shù)

超載超限交通對橋梁結(jié)構(gòu)的損傷一直是研究者關(guān)注的重點(diǎn)。本文的超載超限標(biāo)準(zhǔn)是指與我國 JTG D64—2015(以下簡稱“規(guī)范”)中的標(biāo)準(zhǔn)疲勞荷載相比。我國規(guī)范中的疲勞驗(yàn)算僅考慮了交通量對疲勞強(qiáng)度的影響修正，本文綜合考慮了車輛重力、車流交通量這2方面對疲勞損傷的影響。根據(jù)這2個參數(shù)定義荷載系數(shù)K為

式中：Nce為實(shí)際交通流密度，可換算為日平均交通流量；We為實(shí)際車輛荷載的等效車重力；N0e為規(guī)范疲勞驗(yàn)算采用的標(biāo)準(zhǔn)交通流量(0.5×106)，換算到單車道日交通量為N0e=1 370 輛；W0為規(guī)范中標(biāo)準(zhǔn)疲勞車的總重，模型2取445 kN；γ為多車道效應(yīng)的修正系數(shù)，可參考JTG D60—2015取值。假設(shè)評估基準(zhǔn)期為n年，則Nc=365nNce。式(18)可化為

式(20)即為考慮了車輛超載超限時的結(jié)構(gòu)疲勞可靠度計(jì)算式。

5.2 實(shí)例分析

通過 WIM 系統(tǒng)采集的貴州、廣東等省份車輛數(shù)據(jù)，分析由這些車輛通過簡支梁橋時造成的結(jié)構(gòu)疲勞損傷，并計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞可靠度，進(jìn)一步分析超載超限交通對疲勞可靠度的量化影響。

假定計(jì)算對象為設(shè)計(jì)壽命100 a的某一級公路上的1座雙向4車道簡支鋼箱梁橋，評估基準(zhǔn)期取設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，橋梁跨徑為45 m，截面抵抗矩W為0.442 m3。其箱梁截面及參數(shù)見圖4。

圖4 鋼箱梁截面Fig. 4 Steel box girder section

對鋼箱梁結(jié)構(gòu)的疲勞可靠度進(jìn)行評估，疲勞損傷的損傷系數(shù)A及等效軸距l(xiāng)e由實(shí)測荷載數(shù)據(jù)確定。根據(jù)式(20)，考慮車輛超載影響，計(jì)算獲得的評估基準(zhǔn)期100 a時的該結(jié)構(gòu)疲勞可靠度計(jì)算式為

圖5 荷載系數(shù)與可靠度的關(guān)系Fig. 5 Relationship between load coefficient and reliability

從圖5可見：結(jié)構(gòu)疲勞可靠度隨著荷載系數(shù)的增加而呈對數(shù)關(guān)系降低，le越小，對應(yīng)的疲勞可靠度也越小；當(dāng)K=1時，對應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)疲勞荷載水平，其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)可靠度分別為3.654和4.511。由GBT 50283—1999[18]，若考慮疲勞破壞為脆性破壞，則其目標(biāo)可靠度范圍為4.2～5.2，文獻(xiàn)[5]建議橋梁疲勞目標(biāo)可靠度取值為3.5，可見我國最新規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)疲勞荷載對應(yīng)的疲勞可靠度較高。隨著荷載系數(shù)K增大，結(jié)構(gòu)疲勞可靠度逐漸下降，當(dāng)超載 10%時，對應(yīng)可靠度下降到 3.5以下，當(dāng)超載30%時，可靠度下降到3.0以下。

由式(20)，以 le為自變量，考慮不同超載情況計(jì)算le與疲勞可靠度之間的關(guān)系式為

式中：η′為由式(20)根據(jù)不同具體參數(shù)獲得的計(jì)算值。對45 m箱梁E構(gòu)造細(xì)節(jié)，根據(jù)上式繪制疲勞可靠度與等效軸距的關(guān)系如圖6所示。其中K=1時的曲線對應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)荷載曲線，此時η′=33.30。

圖6 等效軸距與可靠度的關(guān)系Fig. 6 Relationship between equivalent wheelbase and reliability

從圖6可見：疲勞可靠度隨等效軸距l(xiāng)e的增大而增大，le越小，對應(yīng)的疲勞可靠度越小，反之越大。由此可見：1) 較大的平均軸距對降低橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷有利；2) 對應(yīng)常規(guī)車輛軸距(3.5～7.5 m)，其按我國規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)疲勞荷載(K=1)計(jì)算的疲勞可靠度為3.4～4.2，進(jìn)一步印證了“我國規(guī)范隱含的可靠度較高”的結(jié)論。3) 當(dāng)荷載系數(shù)為1.5時，對應(yīng)常規(guī)軸距的疲勞可靠度下降到 3.0以下，可見超限超載交通對疲勞可靠度的影響較大。

6 結(jié)論

1) 由實(shí)際疲勞損傷計(jì)算，采用定性分析結(jié)合數(shù)據(jù)擬合的方法，建立了車重力、車距、軸距等車輛荷載參數(shù)與結(jié)構(gòu)相對疲勞損傷度之間的量化關(guān)系。

2) 基于相對疲勞損傷度與結(jié)構(gòu)疲勞可靠度的關(guān)系，進(jìn)一步建立了各車輛參數(shù)與疲勞可靠度之間的量化關(guān)系。根據(jù)該關(guān)系式可較簡便地計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞可靠度，有利于快速、準(zhǔn)確地評估橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞安全性。

3) 我國最新設(shè)計(jì)規(guī)范中疲勞標(biāo)準(zhǔn)荷載隱含的疲勞可靠度指標(biāo)較高。

4) 簡支梁結(jié)構(gòu)的疲勞可靠度與其荷載系數(shù)的對數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著荷載系數(shù)K增大，疲勞可靠度逐漸降低，故超限超載交通荷載將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞可靠度較大幅度下降。

5) 較大的車輛平均軸距對降低結(jié)構(gòu)的疲勞損傷、提高結(jié)構(gòu)的疲勞可靠度是有利的。

[1] 鄧揚(yáng), 李愛群, 劉揚(yáng), 等. 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的大跨度懸索橋頻率與環(huán)境條件的相關(guān)性模型[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014, 45(7): 2401?2409.DENG Yang, LI Aiqun, LIU Yang, et al. Correlation models of modal frequencies and environmental conditions for a long-span suspension bridge based on monitoring data[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2014, 45(7):2401?2409.

[2] 孟陽君, 周先雁.車輛荷載作用下大跨舊橋動力可靠度研究[J].振動與沖擊, 2013, 32(11): 155?156.MENG Yangjun, ZHOU Xianyan. A long-span old bridge’s dynamic reliability under vehicular load[J]. Journal of Vibration and Shock, 2013, 32(11): 155?156.

[3] JTG D64—2015, 公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S].JTG D64—2015, Specifications for design of highway steel bridge[S].

[4] JTG D60—2015, 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].JTG D60—2015, General code for design of highway bridges and culverts[S].

[5] 劉揚(yáng), 李勝蘭, 鄧楊. 超載對RC梁橋疲勞可靠性的影響分析[J]. 交通科學(xué)與工程, 2014, 30(3): 30?34.LIU Yang, LI Shenglan, DENG Yang.Influence of vehicle over load on the fatigue reliability of reinforced concrete bridge[J].Journal of Transport Science and Engineering, 2014, 30(3):30?34.

[6] 范振華, 趙亞敏. 超載運(yùn)輸對既有鋼筋混凝土拱橋疲勞性能的影響[J]. 內(nèi)蒙古公路與交通運(yùn)輸, 2007(4): 12?14.FAN Zhenhua, ZHAO Yamin.Influence of vehicle over load on fatigue property of reinforced concrete arch bridge[J]. Highways& Transportation in Inner Mongolia, 2007(4): 12?14.

[7] 魯乃唯, 劉揚(yáng), 鄧揚(yáng). 隨機(jī)車流作用下懸索橋鋼橋面板疲勞損傷與壽命評估[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 46(11):4300?4306.LU Naiwei, LIU Yang, DENG Yang. Fatigue damage and life assessment for steel decks of suspension bridge under stochastic traffic flow[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2015, 46(11): 4300?4306.

[8] 王春生, 周江, 吳全友, 等. 既有混凝土橋梁疲勞壽命與使用安全評估[J]. 中國公路學(xué)報(bào), 2012, 25(6): 101?107.WANG Chunsheng, ZHOU Jiang, WU Quanyou, et al. Fatigue life and service safety assessment for existing concrete bridges[J].China Journal of Highway and Transport, 2012, 25(6): 101?107.

[9] 李星新, 任偉新, 鐘繼衛(wèi). 西南山區(qū)高速公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛荷載研究[J]. 振動與沖擊, 2012, 31(15): 96?100.LI Xingxin, REN Weixin, ZHONG Jiwei. Standard fatigue truck on montane speedway bridge[J]. Journal of Vibration and Shock,2012, 31(15): 96?100.

[10] HAJIALIZADEH D, OBRIEN E J, O’CONNOR A J. Virtual structural health monitoring and remaining life prediction of steel bridges[J]. Canadian Journal of Civil Engineering,2016(286): 10?14.

[11] FARRERAS-ALCOVER I, CHRYSSANTHOPOULOS M K,ANDERSEN J E. Data-based models for fatigue reliability of orthotropic steel bridge decks based on temperature, traffic and strain monitoring[J]. International Journal of Fatigue, 2017(95):104?119.

[12] AASHTO LRFD—2007, AASHTO LRFD bridge design specifications[S].

[13] 邵雨虹, 呂彭民. 九江長江大橋疲勞車輛荷載譜[J]. 長安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 35(5): 51?56.SHAO Yuhong, Lü Pengmin. Fatigue load spectrum for Jiujiang Yangtzw River bridge[J]. Journal of Chang’an University(Natural Science Edition), 2015, 35(5): 51?56.

[14] 任偉平. 焊接鋼橋結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞行為分析及壽命評估[D]. 成都: 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 2009: 90?105.REN Weiping. Fatigue behaviour and fatigue life evaluation of structural details in welded steel girder bridges[D]. Chengdu:Southwest Jiaotong University. School of Civil Engineering,2009: 90?105.

[15] NYMAN W E, MOSES F. Calibration of bridge fatigue design model[J]. Journal of Structural Engineering, 1985, 111(6):1251?1266.

[16] RAJU S K, MOSES F, SCH ILLING C G. Reliability calibration of fatigue evaluation and design procedures[J]. Journal of Structural Engineering, 1990, 116(5): 1356?1369.

[17] 鄧揚(yáng), 丁幼亮, 李愛群, 等. 鋼箱梁橋焊接細(xì)節(jié)的疲勞斷裂可靠性分析[J]. 工程力學(xué), 2012, 29(10): 122?128.DENG Yang, DING Youliang, LI Aiqun, et al.Fracture fatigue reliability of welded details in bridge steel box girders[J].Engineering Mechanics, 2012, 29(10): 122?128.

[18] GBT 50283—1999, 公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).GBT 50283—1999, Unified standard for reliability design of highway engineering structures[S].

Effect of overrun and overloaded vehicles on fatigue damage and reliability of highway bridges

ZHAO Shaojie1,2,3, REN Weixin1,4

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. Communications Planning, Survey & Design Institute of Hunan Province, Changsha 410008, China;3. Hunan Provincial Key Laboratory of Highway Construction & Maintenance Technology in Southern China,Changsha 410008, China;4. School of Civil Engineering and Water Conservancy, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In order to simply and rapidly evaluate the effect of traffic load on fatigue damage of highway bridges,the relationship between vehicle load parameters and fatigue damage of structures was established by using qualitative analysis and data fitting method. Based on the limit state equation of fatigue, and considering the relationship between stress and interforce, the relationship between fatigue reliability and fatigue damage was obtained, and then the relationship between vehicle load parameters and fatigue reliability of structures was established, which provided a practical and simple method to evaluate the effect of vehicle load on fatigue damage and the reliability of structures.Based on the formula, the influence of overrun and overloaded vehicles on fatigue reliability was analyzed. The results show that the fatigue reliability of simple supported beam decreases in logarithmic form with the increase of the load coefficient K, and the larger wheel base is beneficial for decreasing fatigue damage and increasing fatigue reliability.

bridge engineering; fatigue reliability; statistical fitting; fatigue damage; overrun and overloaded vehicle

U441+.4

A

1672?7207(2017)11?3044?07

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.11.027

2017?03?20；

2017?06?08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278163) (Project(51278163) supported by the National Natural Science Foundation of China)通信作者：趙少杰，博士研究生，高級工程師，從事橋梁結(jié)構(gòu)安全及可靠度評估研究；E-mail: shaojiez@126.com

(編輯 陳燦華)