CN107480353A

CN107480353A - 基于不同时段随机车流的双层悬索桥疲劳性能评估方法

Info

Publication number: CN107480353A
Application number: CN201710632307.7A
Authority: CN
Inventors: 刘沐宇; 邓晓光; 高宗余; 张强; 卢志芳; 韩征
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2017-07-28
Publication date: 2017-12-15
Anticipated expiration: 2037-07-28
Also published as: CN107480353B

Abstract

本发明公开了一种基于不同时段随机车流的双层悬索桥疲劳性能评估方法，主要包括以下步骤：确定双层悬索桥不同时段各个车道上随机车流参数，采用Monte‑Carlo方法考虑双层悬索桥不同时段各个车道上车辆类型、车距和车重等参数的随机性，运用MATLAB软件编制程序模拟获得不同时段各个车道的随机车流；建立桥梁整体有限元模型，将随机车流作为疲劳荷载，进行影响线移动加载，获得双层悬索桥关键构件的应力历程；通过雨流计数法分析桥梁关键构件的应力历程，获得其应力谱；根据等效损伤累计理论，评估双层悬索桥疲劳性能。本方法考虑了双层悬索桥各个车道车流荷载在不同时段的差异性，使得关键构件的疲劳荷载谱更为准确，疲劳评估更为可靠。

Description

基于不同时段随机车流的双层悬索桥疲劳性能评估方法

技术领域

本发明涉及交通运输业桥涵工程技术，尤其涉及一种基于不同时段随机车流的双层悬索桥疲劳性能评估方法。

背景技术

双层悬索桥交通繁重，巨大的车辆荷载反复作用会导致结构产生疲劳损伤，严重影响桥梁安全性和耐久性。由于车辆的种类、轴距和轴重等参数各不相同，国内外学者主要通过制定标准疲劳车辆模型来等效处理各种车辆荷载引起的疲劳效应。然而在桥梁实际运营阶段，车辆荷载是随着时间不断变化的，桥梁构件的受力状况必然十分复杂，采用标准疲劳车辆模型无法真实反映实际交通荷载状况。

随机车流方法考虑了实际车辆车型、车重、车距及日交通量等车辆荷载特征，可应用于桥梁结构应力谱计算和疲劳性能评估中。但双层悬索桥上下层不同时段交通流所引起的结构疲劳损伤程度差异较大，目前针对随机车流的模拟并没有考虑不同时段交通情况的变化，这将影响疲劳评估的可靠性。因此有必要提出一种基于不同时段随机车流的双层悬索桥疲劳性能评估方法，使得双层悬索桥的疲劳荷载谱更为准确，疲劳评估更为可靠。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于不同时段随机车流的双层悬索桥疲劳性能评估方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于不同时段随机车流的双层悬索桥疲劳性能评估方法，包括以下步骤：

1)确定双层悬索桥不同时段各个车道上随机车流参数；所述车流参数包括：上下层白天和夜间各车道上的日交通量、车型、各车型数量占总交通量的比例、各车型平均车重及车重标准差和平均车距及车距标准差；

2)获得双层悬索桥不同时段各个车道上随机车流；具体如下：

2.1)采用Monte-Carlo方法，运用MATLAB软件，根据车型比例参数，采用均匀分布随机数产生相应的车型编号：

2.2)根据各车型相对应的车重参数，采用对数正态分布随机数得到随机车重值：

2.3)根据车距参数，采用对数正态分布随机数得到前后车间距：

3)获得随机车流下双层悬索桥关键构件的应力历程；具体如下：

建立桥梁整体有限元模型，采用标准疲劳车进行双层慢车道移动荷载分析，获得桥梁各构件标准疲劳车作用下的应力历程，通过比较应力值(应力历程中的最大应力和最小应力差值)，确定桥梁关键构件及其应力影响线；将步骤2)中获得的随机车流作为疲劳荷载作用在各个车道上，通过关键构件应力影响线加载，获得双层悬索桥关键构件在不同时段内随机车流作用下的应力历程；

4)基于Miner等效损伤累计理论，获得随机车流下双层悬索桥关键构件的200万次等效疲劳应力幅，与规范中对应的材料或构造细节的200万次疲劳破坏应力幅对比，判定疲劳性能是否满足要求。

按上述方案，所述步骤1)中各车流参数的确定方法如下：

桥梁日车流交通量，假定桥梁日交通量为A辆/日，按照英国规范BS5400中慢车道和邻车道的车流量比例，上、下层的通行车流比例，以及桥梁的白天(5:00-19:00)与夜间(19:00-5:00)的通行车流比例，确定双层悬索桥上下层白天和夜间各车道上的交通量：A_上白慢、A_上白临、A_上晚慢、A_上晚临、A_下白慢、A_下白临、A_下晚慢、A_下晚临(单位：辆/日)；

车型、各车型数量占总交通量的比例、各车型平均车重及车重标准差和平均车距及车距标准差；

车型，将车型分为：出租车CZ、小客车XK、大客车DK、小货车XH和大货车DH五类；

各车型数量占总交通量的比例，根据交通量实际情况，获得各车型数量占总交通量的比例：B_CZ、B_XK、B_DK、B_XH、和B_DH；

各车型平均车重及车重标准差，根据交通量实际情况，获得各车型的平均车重W_CZ、W_XK、W_DK、W_XH、和W_DH(单位：kN)，和车重标准差W_V-CZ、W_V-XK、W_V-DK、W_V-XH、和W_V-DH(单位：kN)；

平均车距及车距标准差，假定白天和晚上所有车辆都分别以V_白m/s和V_晚m/s的速度匀速前进，那么双层悬索桥白天和夜间各车道上的平局车距分别是：3600×V_白/A_上白慢/12、3600×V_白/A_上白临/12、3600×V_晚/A_上晚慢/12、3600×V_晚/A_上临慢/12、3600×V_白/A_下白慢/12、3600×V_白/A_下白临/12、3600×V_晚/A_下晚慢/12、和3600×V/_晚A_下临/_慢12(单位：m)，而假定车距的标准差分别为：H_V-上白慢、H_V-上白临、H_V-上晚慢、H_V-上晚临、H_V-下白慢、H_V-下白临、H_V-下晚慢和H_V-下晚临(单位：m)。

按上述方案，步骤2)中获得双层悬索桥不同时段各个车道上随机车流；具体如下：

Car_num＝A_上白慢/12或A_上白临/12或A_上晚慢/12或A_上晚临/12或A_下白慢/12或A_下白临/12或A_下晚慢/12或A_下晚临/12，上下层不同时段各车道每小时交通量；

Car.type＝[1 2 3 4 5]，1-5依次代表出租车、小客车、大客车、小货车和大货车；

B.type＝[B_CZ B_XK B_DK B_XH B_DH]，各车型数量占总交通量的依次比例；

Bcum.type＝[B_CZ B_XK+B_CZ B_DK+B_XK+B_CZ B_XH+B_DK+B_XK+B_CZ B_DH+B_XH+B_DK+B_XK+B_CZ]，各车型数量占总交通量的比例依照车型编号叠加；

For loop＝1：Car_nu，以每小时交通量为循环总次数；

Temp＝rand(1)，产生随机数；

Index＝find(temp<＝Bcum.type,1,’first’)

Result(loop).type＝Car.type(index)，判断随机数落入Bcum.type哪个区间，确定车型。

Car.weight＝[W_CZ W_XK W_DK W_XH W_DH],各车型对应的平均车重；

Car.sigma＝[W_V-CZ W_V-XK W_V-DK W_V-XH W_V-DH]，各车型对应的车重标准差；

Car.mu＝log(Car.weight.^2./sqrt(Car.sigma.^2+Car.weight.^2))

Car.sig＝sqrt(log(Car.sigma.^2./Car.weight.^2+1))

Result(loop).weight＝lognord(Car.mu(index),Car.sig(index))，在参数为Car.mu,Car.sig的对数正态分布函数中抽取随机数。

dis_mean＝3600×V_白/A_上白慢/12或3600×V_白/A_上白临/12或3600×V_晚/A_上晚慢/12或3600×V_晚/A_上临慢/12或3600×V_白/A_下白慢/12或3600×V_白/A_下白临/12或3600×V_晚/A_下晚慢/12或3600×V_晚/A_下临慢/12，上下层不同时段各车道平均车距；

dis_sigma＝H_V-上白慢或H_V-上白临或H_V-上晚慢或H_V-上晚临或H_V-下白慢或H_V-下白临或H_V-下晚慢或H_V-下晚临，上下层不同时段各车道的车距标准差值；

dis.mu＝log(dis_mean.^2./sqrt(dis_mean.^2+dis_sigma.^2))

dis.sig＝sqrt(log(dis_sigma.^2./dis_mean.^2+1))

Result(loop).distance＝lognord(dis.mu,dis.sig,1,1)，在参数为dis.mu,dis.sig的对数正态分布函数中抽取随机数。

按上述方案，所述步骤4)具体包括以下步骤：通过雨流计数法分析桥梁关键构件的应力历程，获得一组应力幅及对应的作用次数，并基于Miner等效损伤累计理论，计算获得基于不同时段随机车流的双层悬索桥关键构件200万次等效疲劳应力幅，并与规范中对应的材料或构造细节的200万次疲劳破坏应力幅对比，若前者小，则疲劳性能满足要求，否则不满足。

本发明产生的有益效果是：双层悬索桥交通繁重，巨大的车辆荷载反复作用会导致结构产生疲劳损伤，严重影响桥梁安全性和耐久性。由于桥梁实际运营阶段，车辆荷载是随着时间不断变化的，桥梁构件的受力状况必然十分复杂，采用标准疲劳车辆模型无法真实反映实际交通荷载状况；同时，双层悬索桥上下层不同时段交通流所引起的结构疲劳损伤程度差异较大，目前针对随机车流的模拟并没有考虑不同时段交通情况的变化，这将影响疲劳评估的可靠性。因此，本发明提出的基于不同时段随机车流的双层悬索桥疲劳性能评估方法，能够考虑不同时段的交通情况，使得双层悬索桥的疲劳荷载谱更为准确，疲劳评估更为可靠，同时为桥梁设计提供依据。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为杨泗港长江大桥某一时刻上层慢车道上的随机车流。

图2为杨泗港长江大桥斜腹杆2613单元应力影响线(荷载作用在上层慢车道)。

图3为t时刻杨泗港长江大桥斜腹杆2613单元影响线加载示意图。

图4为杨泗港长江大桥上层慢车道白天1h随机车流下斜腹杆2613单元的应力时程。

图5为本发明实施例的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图5所示，一种基于不同时段随机车流的双层悬索桥疲劳性能评估方法，包括以下步骤：

S1、确定双层悬索桥不同时段各个车道上随机车流参数：

S101、假定桥梁日交通量为A辆/日，按照英国规范BS5400中慢车道和邻车道的车流量比例，上、下层的通行车流比例，以及桥梁的白天(5:00-19:00)与夜间(19:00-5:00)的通行车流比例，确定双层悬索桥上下层白天和夜间各车道上的交通量：A_上白慢、A_上白临、A_上晚慢、A_上晚临、A_下白慢、A_下白临、A_下晚慢、A_下晚临(单位：辆/日)；

S102、将车型分为：出租车、小客车、大客车、小货车和大货车五类，根据交通量实际情况，获得各车型数量占总交通量的比例：B_CZ、B_XK、B_DK、B_XH、和B_DH，以及相应的平均车重W_CZ、W_XK、W_DK、W_XH、和W_DH(单位：kN)，和车重标准差W_V-CZ、W_V-XK、W_V-DK、W_V-XH、和W_V-DH(单位：kN)；

S103、假定白天和晚上所有车辆都分别以V_白m/s和V_晚m/s的速度匀速前进，那么双层悬索桥白天和夜间各车道上的平局车距分别是：3600×V_白/A_上白慢/12、3600×V_白/A_上白临/12、3600×V_晚/A_上晚慢/12、3600×V_晚/A_上临慢/12、3600×V_白/A_下白慢/12、3600×V_白/A_下白临/12、3600×V_晚/A_下晚慢/12、和3600×V_晚/A_下临慢/12(单位：m)，而假定车距的标准差分别为：H_V-上白慢、H_V-上白临、H_V-上晚慢、H_V-上晚临、H_V-下白慢、H_V-下白临、H_V-下晚慢和H_V-下晚临(单位：m)。

S2、获得双层悬索桥不同时段各个车道上随机车流；

S201、采用Monte-Carlo方法，运用MATLAB软件，根据车型比例参数，采用均匀分布随机数产生相应的车型编号：

For loop＝1：Car_nu，以每小时交通量为循环总次数；

Temp＝rand(1)，产生随机数；

Index＝find(temp<＝Bcum.type,1,’first’)

S202、根据各车型相对应的车重参数，采用对数正态分布随机数得到随机车重值：

Car.weight＝[W_CZ W_XK W_DK W_XH W_DH],各车型对应的平均车重；

Car.mu＝log(Car.weight.^2./sqrt(Car.sigma.^2+Car.weight.^2))

Car.sig＝sqrt(log(Car.sigma.^2./Car.weight.^2+1))

S203、根据车距参数，采用对数正态分布随机数得到前后车间距：

dis.mu＝log(dis_mean.^2./sqrt(dis_mean.^2+dis_sigma.^2))

dis.sig＝sqrt(log(dis_sigma.^2./dis_mean.^2+1))

S3、获得随机车流下双层悬索桥关键构件的应力历程；

建立桥梁整体有限元模型，采用标准疲劳车进行双层慢车道移动荷载分析，获得桥梁各构件标准疲劳车作用下的应力历程，通过比较应力值(应力历程中的最大应力和最小应力差值)，确定桥梁关键构件及其应力影响线；将随机车流作为疲劳荷载作用在各个车道上，通过关键构件应力影响线加载，获得双层悬索桥关键构件在不同时段内随机车流作用下的应力历程。

S4、基于Miner等效损伤累计理论，获得随机车流下双层悬索桥关键构件的200万次等效疲劳应力幅，与规范中对应的材料或构造细节的200万次疲劳破坏应力幅对比，判定疲劳性能是否满足要求。

步骤S4具体包括以下步骤：通过雨流计数法分析桥梁关键构件的应力历程，获得一组应力幅σ_i及对应的作用次数n_i，并基于Miner等效损伤累计理论，计算获得基于不同时段随机车流的双层悬索桥关键构件200万次等效疲劳应力幅σ_200w，并与规范中对应的材料或构造细节的200万次疲劳破坏应力幅对比，若前者小，则疲劳性能满足要求，否则不满足。

本发明主要包括以下步骤：S1、确定双层悬索桥不同时段各个车道上随机车流参数；S2、采用Monte-Carlo方法考虑双层悬索桥不同时段各个车道上车辆类型、车距和车重等参数的随机性，运用MATLAB软件编制程序模拟获得不同时段各个车道的随机车流；S3、建立桥梁整体有限元模型，采用标准疲劳车进行双层慢车道移动荷载分析，获得桥梁关键构件及其影响线，将随机车流作为疲劳荷载，进行影响线移动加载，获得双层悬索桥关键构件的应力历程；S4、通过雨流计数法分析桥梁关键构件的应力历程，获得其应力谱，根据等效损伤累计理论，计算桥梁关键构件200万次等效疲劳应力幅，并与规范中对应的材料或构造细节的200万次疲劳破坏应力幅对比，评估双层悬索桥疲劳性能。

具体应用实例1

武汉杨泗港长江大桥主缆跨度布置465m+1700m+465m＝2630m，主跨达到了1700m，是国内目前在建最大跨径的双层公路钢桁梁悬索桥，上层双向6车道，下层双向4车道。钢桁梁由主桁架、横梁和正交异性桥面板组成，主桁架为带竖腹杆的华伦式桁架结构，桁高为10m，标准节间长为9m，两片主桁架左右弦杆中心间距为28m。《杨泗港大桥工可流量预测报告》指出，2038年(建成运行20年)大桥全日车流量为11.3万辆，上下层通行车流的比例为59：41。

综合考虑杨泗港大桥的区位及功能定位，确定其白天(5:00-19:00)与夜间(19:00-5:00)通行车流的比例为75：25。

采用上述方法，对武汉杨泗港长江大桥疲劳性能进行了评估，包括以下步骤：

1)不同时段各个车道上随机车流参数的确定：

①桥梁日交通量为11.3万辆/日，桥梁的白天(5:00-19:00)与夜间(19:00-5:00)的通行车流比例为75：25，车道分布按照英国规范BS5400中上层慢车道和邻车道比例为2：1.5，下层慢车道和邻车道比例为1.5：1进行计算，由此确定桥梁白天和夜间慢车道和邻车道上的日交通量，见表1：

表1各车道车流量

②将车型分为：出租车、小客车、大客车、小货车和大货车五类，根据交通量实际情况，获得各车型数量占总交通量的比例以及相应的平均车重和车重标准差，见表2：

表2车型比例

③假定白天和晚上所有车辆都以15m/s的速度匀速前进，那么桥梁白天和夜间慢车道和邻车道上的平局车距和车距标准差如表3所示：

表3车距参数

2)用MATLAB软件编制程序进行不同时段各个车道上随机车流的模拟，下面以白天的上层慢车道一小时的随机车流编程为例：

以上层慢车道白天一小时的模拟结果为例，数据形式见表4和图1。

表4上层慢车道白天一小时随机车流

3)获得桥梁关键构件的应力历程

①建立桥梁整体有限元模型，依据图纸定义慢车道(最外侧车道)，采用标准疲劳车进行移动荷载分析，获得桥梁各构件标准疲劳车作用下的应力历程，通过比较应力值(应力历程中的最大应力和最小应力差值)，确定桥梁关键构件及其应力影响线，见表5和图2：

表5主桁杆件最不利位置及应力幅

②确定桥梁关键构件后，将随机车流作为疲劳荷载作用在各个车道上，通过移动荷载分析获得不同时段内桥梁关键构件在随机车流作用下的应力历程，见图3和图4：

4)计算桥梁关键构件200万次等效疲劳应力幅

采用雨流计数法分析桥梁关键构件在随机车流作用下的应力历程，获得不同时段下桥梁关键构件的多个应力幅和相应的作用次数，见表6。

表6桥梁关键构件应力谱

基于Miner等效损伤累计理论，计算获得随机车流作用下各桥梁关键构件200万次等效疲劳应力幅，见表7。

表7各危险杆件等效应力幅(MPa)

5)双层悬索桥疲劳性能评估

将计算的桥梁关键200万次等效疲劳应力幅，与规范中对应的材料或构造细节的200万次疲劳破坏应力幅对比。根据我国《公路钢结构桥梁设计规范》JTG D64—2015中关于疲劳细节的分类，焊接箱形截面疲劳细节类别为100Mpa，焊接H形截面疲劳细节类别为110Mpa。

由此可见，上弦杆、下弦杆、竖腹杆和斜腹杆的等效应力幅都小于容许应力幅，即杨泗港长江大桥钢桁梁疲劳性能良好，在全寿命期内疲劳性能满足设计要求。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种基于不同时段随机车流的双层悬索桥疲劳性能评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立桥梁整体有限元模型，采用标准疲劳车进行双层慢车道移动荷载分析，获得桥梁各构件标准疲劳车作用下的应力历程，通过比较应力值，即应力历程中的最大应力和最小应力差值，确定桥梁关键构件及其应力影响线；将步骤2)中获得的随机车流作为疲劳荷载作用在各个车道上，通过关键构件应力影响线加载，获得双层悬索桥关键构件在不同时段内随机车流作用下的应力历程；

2.根据权利要求1所述的双层悬索桥疲劳性能评估方法，所述步骤1)中各车流参数的确定方法如下：

上下层白天和夜间各车道上的日交通量，假定桥梁日交通量为A辆/日，按照英国规范BS5400中慢车道和邻车道的车流量比例，上、下层的通行车流比例，以及桥梁的白天：5:00-19:00，与夜间：19:00-5:00，的通行车流比例，确定双层悬索桥上下层白天和夜间各车道上的交通量：A_上白慢、A_上白临、A_上晚慢、A_上晚临、A_下白慢、A_下白临、A_下晚慢、A_下晚临；

各车型平均车重及车重标准差，根据交通量实际情况，获得各车型的平均车重W_CZ、W_XK、W_DK、W_XH、和W_DH，和车重标准差W_V-CZ、W_V-XK、W_V-DK、W_V-XH、和W_V-DH；

平均车距及车距标准差，假定白天和晚上所有车辆都分别以V_白m/s和V_晚m/s的速度匀速前进，那么双层悬索桥白天和夜间各车道上的平局车距分别是：3600×V_白/A_上白慢/12、3600×V_白/A_上白临/12、3600×V_晚/A_上晚慢/12、3600×V_晚/A_上临慢/12、3600×V_白/A_下白慢/12、3600×V_白/A_下白临/12、3600×V_晚/A_下晚慢/12、和3600×V_晚/A_下临慢/12，而假定车距的标准差分别为：H_V-上白慢、H_V-上白临、H_V-上晚慢、H_V-上晚临、H_V-下白慢、H_V-下白临、H_V-下晚慢和H_V-下晚临。

3.根据权利要求1所述的双层悬索桥疲劳性能评估方法，所述步骤4)具体包括以下步骤：通过雨流计数法分析桥梁关键构件的应力历程，获得一组应力幅及对应的作用次数，并基于Miner等效损伤累计理论，计算获得基于不同时段随机车流的双层悬索桥关键构件200万次等效疲劳应力幅，并与规范中对应的材料或构造细节的200万次疲劳破坏应力幅对比，若前者小，则疲劳性能满足要求，否则不满足。