考虑环境变温作用的大跨桥梁疲劳损伤分析

第４　５卷　第１期　２　Ｏ　１　８　年湖南大学学报（自然科学版）　Ｖ０１．４５，Ｎｏ．１　１月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）　Ｊａｎ．２　０　１　８　文章编号：１６７４—２９７４（２０１８）０１—００２６—１１　ＤＯＩ：１０．１６３３９／ｊ．ｅｎｋｉ．ｈｄｘｂｚｋｂ．２０１８．０１．００４　考虑环境变温作用的大跨桥梁疲劳损伤分析　王莹　一，李兆　霞　，缪海萍　（１．东南大学土木工程学院，江苏南京２１００９６；２　江苏省工程力学分析重点实验室，江苏南京２１００９６）　摘要：基于桥梁健康监测系统记录的温度时程数据，研究钢箱梁顶板、底板的温度变　化特征和规律，利用间接耦合法将热分析的温度数据作为体荷载施加于结构多尺度有限元　模型，获得了环境变温引起的结构应力，实现了从热分析到结构应力的分析．然后，利用健康　监测系统记录的应变时程数据，考察车辆荷载和环境变温所引起的应变特征的差异，提取和　分离出由环境变温和车辆荷载引起的应变时程，并与模拟得到的应力时程加以对比和相互　验证，在此基础上利用连续介质损伤力学理论分析车辆荷载单独作用以及车辆和环境变温　交互作用所引起的桥梁累积损伤．结果表明：提出的损伤分析流程可实现桥梁关键部位在考　虑环境变温和车辆荷载两种因素作用下的损伤分析．环境变温单独作用所引起的疲劳损伤　很小，基本可以忽略，但两者交互作用所引起的结构疲劳损伤相对于车辆单独作用下的损伤　有显著差异．在服役初期环境变温的作用并不显著，随着疲劳损伤的不断增加，这种交互作　用对结构疲劳损伤累积的影响会愈发明显，即环境温度变化引起的荷载会加速结构服役中　后期疲劳损伤的累积速率，进而对结构疲劳寿命产生显著影响．　关键词：大跨桥梁；环境变温；疲劳损伤；应力时程效应；有限元分析　中图分类号：Ｕ４４１．４　文献标志码：Ａ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｆａｔｉｇｕｅ　Ｄａｍａｇｅ　ｏｆ　Ｌｏｎｇ—ｓｐａｎ　Ｂｒｉｄｇｅｓ　Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｖａｒｙｉｎｇ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ＷＡＮＧ　Ｙｉｎｇ　－一，ＬＩ　Ｚｈａｏｘｉａ　·　，ＭＩＡＯ　Ｈａｉｐｉｎｇ　，。　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ－Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ－Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００９６。Ｃｈｉｎａ；　２．Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００９６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ｈｉｓｔｏｒｙ　ｄａｔａ　ｒｅｃｏｒｄｅｄ　ｂｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｈｅａｌｔｈ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ（ＳＨＭＳ）　ｉｎｓｔａｌｌｅｄ　ｏｎ　ｌｏｎｇ－ｓｐａｎ　ｂｒｉｄｇｅ，ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｏｐ　ｄｅｃｋ　ａｎｄ　ｂｏｔｔｏｍ　ｄｅｃｋ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｂｏｘ　ｇｉｒｄｅｒ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｉｎｄｉｒｅｃｔ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｗａｓ　ｒｅｇａｒｄｅｄ　ａｓ　ｂｏｄｙ　ｌｏａｄ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｍｕｌｔｉ—ｓｃａｌｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ（ＦＥ）ｍｏｄｅ１．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｗａｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ａｎｄ　ｔｈｅｎ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒａｉｎ　ｄａｔａ　ｆｒｏｍ　ＳＨＭＳ．ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｓｔｒａｉｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｌｙ　ｂｙ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｌｏａｄｓ　ａｎｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｗｅｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｓｔｒａｉｎ　ｈｉｓｔｏｒｉｅｓ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ａｂｏｖｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｗｅｒｅ　ｓｅｐａｒａｔｅｄ　ａｎｄ　ｅｘｔｒａｃｔｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅｙ　ｗｅｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｂｙ　ｔｈｅ　ＦＥ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｉｎ一　＊收稿日期：２０１７一Ｏ１—２０　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１００８０６９，１１０７２０６０，５１６７８１３５），Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ（５１００８０６９，　１１０７２０６０，５１６７８１３５）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（３２０５００７２０５），Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｆｕｎｄｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｕｎｉ—　ｖｅｒｓｉｔｉｅｓ（３２０５００７２０５）　作者简介：王莹（１９８ｏ一），女，江苏滨海人，东南大学副教授，博士　十通讯联系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｘｌｉ＠ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　第１期　王莹等：考虑环境变温作用的大跨桥梁疲劳损伤分析　２７　ｕｕｍ　ｄａｍａｇｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｔｈｅ　ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｄａｍａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｗａｓ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｌｏａｄ　ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｌｏａｄ　ａｎｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｌｏｗ　ｏｆ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｄａｍａｇｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｃａｎ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｄａｍａｇｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｔ　ｋｅｙ　ｌｏｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｂｒｉｄｇｅ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｌｏａｄ．Ｆａｔｉｇｕｅ　ｄａｍａｇｅ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｌｏｎｅ　ｉｓ　ｓｍａｌｌ　ａｎｄ　ｃａｎ　ｂｅ　ｉｇｎｏｒｅｄ．Ｂｕｔ　ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｄａｍａｇｅ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｔｗｏ　ｌｏａｄｓ　ｈａｓ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈａｔ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ａｌｏｎｅ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｐｅｒｉｏｄｓ，ｔｈｅ　ｉｎ—　ｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｎ　ｄａｍａｇｅ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ，ｂｕｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｄａｍａｇｅ，ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｔＷＯ　１ｏａｄｓ　ｂｅｃｏｍｅｓ　ｍｏｒｅ　ｐｒｏｍｉｎｅｎｔ．Ｔｈａｔ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｌｏａｄｓ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｔｅｍｐｅｒ—　ａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｅ　ｔｈｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｄａｍａｇｅ　ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｔ　ｔｈｅ　ｍｉｄ－ｌａｔｅ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｐｅｒｉｏｄｓ，ａｎｄ　ｈａｖｅ　ａ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌｏｎｇ－ｓｐａｎ　ｂｒｉｄｇｅ；ｖａｒｙｉｎｇ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｆａｔｉｇｕｅ　ｄａｍａｇｅ；ｓｔｒｅｓｓ　ｈｉｓｔｏｒｙ　ｅｆｆｅｃｔｓ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅ—　ｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　在役大跨桥梁直接承受正常运营荷载（包括车　累积的分析提供了有利工具．利用面向损伤评估的　辆荷载、环境变温荷载）以及突发荷载（包括强风、　结构多尺度模拟方法［１　¨］，可获得易损构件在各种　地震等）的作用，对其进行疲劳损伤分析的关键即　荷载作用下的结构动力响应．对于交通荷载，一般是　是对服役荷载作用下结构疲劳损伤关键部位的识　通过对交通状态的调查统计［１　，或借助动态称重系　别及其动力响应的认知．目前，国内外很多学者开展　统（Ｗｅｉｇｈｔ—ｉｎ－ｍｏｔｉｏｎ，ｗＩＭ）［１。　来得到荷载谱的数　了桥梁结构在交通荷载工况下的结构动力响应的研　据，随后将该荷载谱施加于多尺度有限元模型，考　究［１　］，但是对多荷载交互作用下结构动力响应以及　虑车辆荷载所引起的疲劳损伤．对于环境温度对结　各种荷载对结构疲劳损伤的贡献的研究尚不成熟．　构的影响也开展了一系列的数值模拟研究［１　．但　在正常运营环境下，桥梁局部细节处的疲劳损　是，将健康监测系统的实测数据与结构多尺度有限　伤是由通行车辆和环境变温共同引起的．目前，对这　元模拟相结合来研究车辆和环境变温的交互作用　两类荷载共同作用所引起的疲劳损伤累积的规律　以及单个荷载工况对结构疲劳损伤影响的论文尚　和特性的研究较少．作者Ｌ６　前期在基于结构健康监　不多见．　测系统（ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｈｅａｌｔｈ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，　本文首先基于桥梁健康监测系统温度传感器　ＳＨＭＳ）的应变数据进行桥梁疲劳损伤分析时，认为　记录的温度时程数据，研究钢箱梁顶板、底板的温　温度变化引起的应变趋势项变化缓慢，在损伤评估　度变化特征和规律，利用间接耦合方法将用于热分　中将其剔除．ｗｕ等Ｌ７］对健康监测数据中不同荷载　析的温度数据作为体力荷载施加于桥梁的多尺度　有限元模型，获得了温度变化所引起的结构应力，　的响应信息进行了分离，认为加入变温荷载引起的　结构应力时程仅相当于增加了应力幅的大小，对应　实现了从热分析到结构分析的计算．然后，利用安装　在大跨桥梁上的健康监测系统记录的应变时程数　于变温荷载的应力时程的循环次数远小于交通荷　据，考察车辆荷载和环境变温所引起的应变特征的　载引起的应力循环，对桥梁的疲劳损伤影响不大．但　差异，提取和分离出由环境变温和车辆荷载引起的　实际上，通过对长期监测数据的研究［８　］表明：月平　应变时程，并与有限元模拟得到的应力时程进行对　均温度不同的月份，正常运营环境下桥面板焊接细　比，在此基础上利用连续介质力学理论分析车辆荷　节处的疲劳损伤增量不同，两者呈现出近似线性的　载单独作用和两者共同作用下桥梁的累积损伤值．　关系，且较高的温度会对车辆荷载引起的疲劳损伤　最后，考虑交通流量增长和气候变暖所造成的环境　存在放大作用．因此，环境温度变化引起的应力时程　温度的变化，对桥梁未来运营状态下的疲劳损伤累　亦是影响结构疲劳损伤的重要荷载因素，定量的影　积进行分析．　响程度和规律需要进一步探索．　除了借助于结构健康监测系统实测的应变和　１环境变温荷载的模拟方法　温度数据来分析结构的疲劳损伤之外，目前大型有　限元软件的日趋完善为桥梁结构动力响应和损伤　大跨钢桥在热辐射、气候变化等因素共同影响　２８　湖南大学学报（自然科学版）　下，结构各部件的温度可能发生变化．冈０度差异较大　的构件（主缆、吊索、加劲梁等）组成的高次超静定　实测和统计的温度数据施加于结构模型来获得结　构在变温荷载下的响应将是一种更为合理的环境　变温的模拟方法．　结构，使得结构变形表现为显著的几何非线性．由于　钢材导热性能好，对环境温度变化相当敏感，在某　些情况下，温度变化引起的结构内力可与恒载和活　载引起的内力相比较，亦可能导致结构破坏．　为了研究环境温度变化对桥梁结构的影响，确　２考虑变温荷载效应的桥梁关键部位疲劳　损伤流程　图１给出了一类具备健康监测系统实测数据的　大型桥梁在考虑环境变温影响时的任意关键部位　定合理的温度场是进行结构响应分析的前提和关　键．钢箱梁由于温度变化引起的变形主要受结构有　效温度变化和截面温度梯度两个因素影响．研究主　梁温度场分布时忽略纵向的热流，认为各截面具有　相同的温度场分布形式，因此选取由腹板、翼缘板　组成的单位长度的典型主梁段作为研究对象即可，　这样钢箱梁的温度场成为二维热传导问题．忽略钢　板厚度方向的热流动，截面的热流动主要取决于热　传导，钢板表面与外界环境通过对流与辐射进行热　交换．截面的热传导可用式（１）表示．　是（、车　＋　）ｄｚ　ｏｙ　＋Ｑ一　’　ｄ　．　（１）　式中：Ｔ为ｔ时刻坐标　，　）处的温度；Ｑ为单位　体积内产生的热量；ｋ为热传导系数；Ｃ为比热容；　Ｐ为密度．　考虑来自与周围环境之间的对流和辐射热交　换及太阳辐射的热流，设置式（２）的边界条件：　一是　一ｑ＋＾（Ｔ　一Ｔａ）．　（２）　ｄ７ｚ　式中：　为表面的法线方向；ｑ为热通量，取ｑ＝ａＩ，　ａ为太阳辐射吸收率，　为太阳直接辐射、散射和地　面反射强度的总和；ｈ为热对流交换系数；Ｔ　为周　围空气温度；Ｔ　为结构表面温度．　在已知初始温度值时，结合式（２）给出的边界　条件，可用有限元法求解偏微分方程式（１），进而可　获得结构的温度分布形式．基于商用有限元软件的　钢箱梁温度场求解一般是根据上述原理获得的．但　是上述求解的前提是其中的热力学参数ａ、ｊ、ｈ、　了、　、丁　等已知，但实际上Ｉ、ｈ的具体值受服役环　境的气象条件影响较大，在一天中是个变值，这给　结构响应的长期分析带来了困难．　结构健康监测系统实测的温度时程数据能够　再现桥梁温度场的特征，反映钢箱梁的温度分布规　律．通过对监测数据的统计、分析，并参照相关研究　成果和经验公式，可得到钢箱梁温度场分布特征和　时变特性，从而更加贴近桥梁的真实状态，因此，将　疲劳损伤评估的流程．　首先，基于健康监测系统的实测应变数据，根　据车辆荷载和温度荷载所引起的应变时程数据在　时、频域内特征的差异，分离和提取出车辆荷载和　温度荷载单独引起的应变时程．接着，基于健康监测　系统实测的钢箱梁上布设的顶板、底板的温度时　程，忽略主梁温度场沿着纵向的热流分布，仅仅考　虑竖向的热流动，通过某种形式的分布函数来考虑　竖向温度梯度分布，得到钢箱梁关键截面上各点的　温度时程．然后将该温度荷载作为“体力”荷载施加　到包含了整体结构、关键构件和关键焊接细部的多　尺度有限元模型，研究环境变温引起的桥梁应力时　程，将其与健康监测系统实测值进行比较，来验证　数据的准确性．在此基础上，基于桥梁多尺度有限元　模型，分别采用Ｍｉｎｅｒ定律和连续介质力学理论来　考虑环境变温荷载、车辆荷载以及两者共同作用下　的结构关键部位的疲劳损伤．最后，基于数据统计，　考察未来车辆荷载和环境变温的变化规律，分析结　构的疲劳损伤并诊断结构的失效周期，为结构的维　修和养护提供参考．　３算例　３．１基于健康监测系统温度传感器的实测信息分　析温度所致应力时程　以润扬长江公路大桥北汊斜拉桥作为工程背　景，首先基于结构健康监测系统来研究环境变温对　结构关键构件疲劳损伤的影响．安装的健康监测系　统（Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｈｅａｌｔｈ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ，ＳＨＭＳ），　包括加速度计（Ａｃｃ）、应变计（Ｓｔｒ）、温度传感器（Ｔ＿　Ｖ、Ｔ—Ｏｆ）、位移计（Ｄｉｓｐ１）和ＧＰＳ等，另外还有车速　车载感应系统和数据采集（Ｋ，ｉ一１～１１）及处理系　统．桥梁上布置的传感器类型及其位置大致如图２　所示．　第１期　结构物珊帧　王莹等：考虑环境变温作用的大跨桥梁疲劳坝伤分析　　洌４ｆ：膏　、模　２９　广　●　，．＿．●　●．●　●　●．●．●．●．●．Ｌ　４ｉ断　曩复　循环　璺！新　结构　信息　图１　考虑变温荷载效应的桥梁任意关键部位的疲劳损伤流程图　Ｆｉｇ．１　Ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｄａｍａｇｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　ｋｅｙ　ｌｏｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｂｒｉｄｇｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｔｌｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　为了尽可能准确和全面地描述环境变温引起　的全桥响应，需要选择合理的温度场来反映钢箱梁　从顶板到底板的温度场的竖向梯度．健康监测系统　的温度传感器为结构温度分布的确定提供了参考．　润扬斜拉桥的健康监测系统在主梁１／２跨、７／８跨２　个截面布置了温度传感器，每个截面安装了如图３　所示的１Ｏ个温度传感器，编号为Ｃ１～Ｃ１０．　为了考虑桥梁竖向温度分布特征，分别取顶板　Ｃ１～Ｃ５监测值的均值和底板Ｃ６～Ｃ１０监测值的均　值作为钢箱梁顶、底板的温度代表值．钢箱梁竖向温　度梯度分布采用式（３）指数函数　吲的分布形式．　ＴＪ．一（Ｔ２一Ｔ１）ｅ　ａ　＋Ｔ１．　（３）　ａ　外站　３　图２　润扬斜拉桥健康监测系统布置的传感器　类型及其位置　Ｆｉｇ．２　Ｔｙｐｅｓ　ａｎｄ　ｌｏｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｉｎｓｔａｌｌｅｄ　ｏｎ　Ｒｕｎｙａｎｇ　Ｃａｂｌｅ－ｓｔａｙｅｄ　Ｂｒｉｄｇｅ　式中：丁　、丁。分别为顶、底板温度值；ａ为钢箱梁日　照温度梯度计算参数，不同季节的取值不同；　为　钢箱梁内任意一点到达相应截面顶板的竖向距离．　国内外大量实测资料　５］证实，大气温度可用正　ｎ弦函数来模拟，各个时刻的大气温度可用式（４）表　示．桥梁结构温度变化与大气温度之间具有“迟滞”　效应，具体的“迟滞”时间因不同的结构而异．　１　１　ｌ（　９）　Ｊ．　（４）　式中：ｔ为时刻，ｈ；丁　为日最高气温，℃；丁　为　日最低气温，℃．　作者通过大量的统计分析发现，润扬斜拉桥钢　了、（　）一÷（７、　＋Ｔ　。　）－４－　（丁　一丁　）·　箱梁温度与大气温度之间的“迟滞”时间取为４　ｈ，　湖南大学学报（自然科学版）　２０１８　ＣＩ＇　Ｃ２Ｃ　３　Ｃ　４　Ｖ　－　－－－　，ｒ．　，，．　；，　．　主　▲　Ａ　‘　ｃ６　▲　一　…　一　……　……　ｃｌ。　ｃ７　ｃ８　ｃ９　图３　润扬长江公路大桥北汉斜拉桥温度传感器布置图　Ｆｉｇ．３　Ｌａｙｏｕｔ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｉｎｓｔａｌｌｅｄ　ｏｎ　Ｒｕｎｙａｎｇ　Ｃａｂｌｅ－ｓｔａｙｅｄ　Ｂｒｉｄｇｅ　两者最接近，相应的实测值与平移４　ｈ后的正弦值　如图４所示．　ｐ　＼　赠　（ａ）　顶板　ｐ　＼　魁　赠　Ｃｏ）厩板　图４　润扬斜拉桥５月２０日顶、底板温度时程　的实测值和拟合曲线　Ｆｉｇ．４　Ｍｅａｓｕｒｅｄ　ａｎｄ　ｆｉｔｔｅｄ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｈｉｓｔｏｒｉｅｓ　ｏｎ　ｔｏｐ　ａｎｄ　ｂｏｔｔｏｍ　ｄｅｃｋｓ　ｏｎ　Ｍａｙ　２Ｏ　采用子模型法建立结构多尺度有限元模型，这　是一种将整体分析与局部精细分析相结合的方法，　在不改变原有整体模型的条件下，灵活地对需要重　点关注部位做进一步分析．进而实现整体结构与局　部构件两者之间的衔接，极大地提高了计算效率。其　基本步骤包括：１）不考虑局部细节，用较粗糙的网　格进行整体结构分析，获得局部精细模型边界上的　响应；２）根据实际尺寸构造和研究目标，选择合理　的单元和网格密度建立局部精细模型；３）利用线性　插值法将步骤１）中计算所得的响应值施加到局部　精细子模型上相应的位置；４）在子模型上施加与整　体模型上相同的荷载进行有限元分析．此方法基于　圣维南原理，因此局部模型的边界必须远离需要关　注的关键部位才能保证其响应的准确性．　根据前期研究成果＿】　，桥梁跨中部分为应力影　响线最大处，且特大型重车多行驶于慢车道，因此　慢车道上应力较其他车道更高，所以建立了包含加　劲肋的钢箱梁局部精细模型，以及更为精细的慢车　道附近的焊缝模型．所建立的模型如图５所示．　（ｃ）焊缝模型　图５　包含整体结构、局部构件和焊接细节的　多尺度模型　Ｆｉｇ．５　Ｍｕｌｔｉ—ｓｃａｌｅ　ＦＥ　ｍｏｄｅｌ　ｉｎｃｌｕｄｅ　ｗｈｏｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，　ｌｏｃａｌ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｗｅｌｄ　ｄｅｔａｉｌｓ　图５（ａ）为建立的润扬桥整体模型，是经过简　化、参数修正、动力特性验证等一系列工作后形成　的；图５（ｂ）（ｃ）是嵌入Ｕ型加劲肋的跨中结构细节　模型，图５（ｄ）为钢箱梁慢车道附近的焊缝精细模　型，可更真实地反映结构局部的损伤状态．为了实现　桥梁结构局部疲劳损伤分析的研究目标，基于结构　整体与局部的衔接方法对结构局部进行“二次分　析”，计算在服役荷载作用下结构局部的应力时程．　需注意的是，在计算过程中，结构承受的服役荷载　的作用位置（如行车荷载）、大小（如变温荷载）随着　时间的推移而变化．而每一次的变化都需要整体模　第１期　王莹等：考虑环境变温作用的大跨桥梁疲劳损伤分析　３１　型和子模型上的荷载条件和边界条件均一致．　需要进一步说明的是，结构损伤累积一般发生　在具有先天缺陷（包括微裂纹、微孔洞、夹杂等）的　焊接构件的焊趾处，若要进行更为精确的应力分　析，还需要在焊趾处进一步建立包含了微裂纹或微　孔洞的模型，此处仅为了说明多尺度模型的建模过　程，故仅对焊材和母材的弹性模量设置了不同值来　反映其力学性能的差异．有关更为精细的裂纹模型　的建立可参考文献［１７］．　对于桥梁所承受的交通荷载，英国规范ＢＳ５４００　最早给出了桥梁疲劳设计的标准疲劳车模型及计　算方法，其忽略总荷载小于３０　ｋＮ的车辆对桥梁构　件疲劳损伤的影响，采用总荷载为３２０　ｋＮ的４轴虚　拟“标准疲劳车”来表征典型车辆标准荷载频值谱　效应．对于影响线很短的构件，将典型车辆的各个轴　重增大１．１倍作为其疲劳损伤计算的轴重荷载谱．　考虑冲击力和离心力对标准荷载进行修正后，假设　任意时刻每个分车道仅有一辆疲劳荷载车，车辆行　驶的中心平均线位于慢车道和主车道中心线临近　不超过３００　ｍｍ的范围内．每天通过桥梁的荷载次　数在ＢＳ５４００中给出详细说明．将４轴的虚拟“标准　疲劳车”作为移动荷载，通过设置荷载步来模拟车　辆从上桥到下桥的整个过程，从而可获得桥梁多尺　度模型上任意一个关键部位的应力时程．由于一共　８个车轮，相应的应力时程可能为变应力幅，通过雨　流计数法即可获得与该变应变幅相等效的等应力　幅值．需要说明的是，通过不同桥梁的荷载是不同　的，更为精确的情况需要借助于桥梁健康监测系统　实测的真实荷载谱作为移动荷载施加于结构多尺　度有限元模型，才能获得结构更为准确的应力时程．　基于有限元软件ＡＮＳＹＳ，利用间接耦合方法　实现由热分析到结构分析（温度引起的热膨胀），忽　略结构到热的耦合，将热分析得到的节点温度作为　“体力”荷载施加到后续的应力分析中来计算温度　变化引起的结构应力．在两种不同的物理场计算时，　采用不同的热分析和结构分析单元，其单元类型见　表１，其中涉及的材料参数值见表２．　表１桥梁有限元模型单元类型　Ｔａｂ．１　Ｅｌｅｍｅｎｔ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ＦＥ　ｍｏｄｅｌ　表２材料物理参数　Ｔａｂ．２　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　密度／　材料　（ｋｇ·　…　ｍ一０）　蒸￣／（１０ｓ　ｃ　·　混凝土　２　６００　４８．３　０．１６６　７　３．５　Ｉ．１　９５０　钢材　７　８００　１９５￣２１３　０．３　６０．５　１．２　４３４　鉴于环境温度变化引起的应力具有显著的季　节性，本文选取２月２Ｏ日、５月２Ｏ日、８月２０日、１１　月２０日分别作为代表春、夏、秋、冬４个不同季节的　典型日，计算不同环境变温下结构的应力时程，表３　中列出了相应的应力幅和平均应力．可以看出：２　月、５月、８月的应力幅相差不大，１１月的应力幅最　小，为２．７７　ＭＰａ；８月２Ｏ日的平均应力最高，其值为　１８．２９　ＭＰａ．　表３不同季节由环境温度变化引起的结构应力时程指标　Ｔａｂ．３　Ｉｎｄｅｘ　ｏｆ　ｓｔｒｅｓｓ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｅａｓｏｎｓ　图６中给出了桥梁５月２０日在昼夜环境变温　作用下的跨中区域结构总的应力云图及其关键节　点的应力时程图．从图６（ａ）所示的主梁跨中截面钢　箱梁应力云图可看出，顶板由于受到阳光的直接照　射，其应力幅值较大，达２２．５　ＭＰａ．图６（ｂ）为顶板慢　车道上某个节点随着昼夜环境温度变化的温度时　程，可看出应力幅和平均应力分别约为６　ＭＰａ、１７　ＭＰａ．此数据可与健康监测系统实测的应变时程数　据比较来验证模型的准确性和数据的可信性．　３．２环境变温对应力时程的影响　为了考察环境变温对结构疲劳损伤累积的影　响，利用前期研究方法［６］将健康监测系统记录的原　始应变时程进行分离，提取出由环境温度和车辆荷　载分别引起的桥梁响应信息．图７所示为润扬斜拉　桥三向应变花“ＹＢＨ２—２１”于２０１３年５月２０日由健　康监测系统实测的应变数据，“ＹＢＨ２－２１”位于桥梁　跨中段的图６所示关键节点附近，因此其输出的时　程数据见图６（ｂ）所示．图７（ａ）为由原始数据中提取　的环境温度时程数据，图７（ｂ）为由单独的环境变温　所引起的应变时程，图７（ｃ）为剔除了环境温度时程　后，主要由车辆荷载引起的应变时程数据．与图６比　较后发现，图７（ｂ）所示的由环境变温引起的应力极　３２　”　湖南大学学报（自然科学版）　：２　∞　５　Ｏ　值出现的时间与图６中所示的温度到达极值的时间　ｌ５ｏ　１　００　致．应力幅和平均应力分别约为６　ＭＰａ、１７　ＭＰａ，　应力幅值计算值略小于监测值，平均应力略大于监　一测值，但均在合理的误差范围内．　２２．５　单位：ＭＰａ　２０．Ｏ　２．５　０．０　（ａ）跨中附近区域钢箱粱应力云图　时刻／ｈ　Ｃｏ）关键节点应力时程　图６　５月２ｏ目的钢箱梁应力分布及关键节点　应力时程图　Ｆｉｇ．６　Ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｎ　ｂｏｘ－ｇｉｒｄｅｒ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｈｉｓｔｏｒｙ　ａｔ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｎｏｄｅ　ｏｎ　Ｍａｙ　２０　对图７（ａ）所示的原始应变时程和图７（ｃ）所示　的车辆荷载的应变时程分别进行雨流计数后，获得　的应力幅～平均应力一循环次数的三维关系图如图８　所示．从图中可看出，剔除温度趋势项前后平均应力　有比较明显的变化，前者的值集中分布于６～１７　ＭＰａ，而后者则在０　ＭＰａ上下有小幅度波动，可见　平均应力主要取决于环境温度的变化；应力幅主要　由车辆荷载引起，集中分布于１～６　ＭＰａ．因此，桥梁　正常运营环境下结构应力响应时程可认为是昼夜　环境温度变化引起的平均应力时程和高频率的车　辆荷载引起的应力时程的叠加．　３．３正常运营环境下桥梁疲劳损伤累积　正常运营环境下桥梁构件局部细节处的疲劳　损伤主要由交通荷载和环境温度变化共同引起．基　髦５０　０　５０　０　２　４　６　８　ｌＯ　ｌ２　ｌ４　ｌ６　１８　２Ｏ　２２　２４　时刻／ｈ　（ａ）原始应变监测数据　ｌ５Ｏ　生ｌ００　寂５０　邋　Ｏ　．５０　５０　　｝｝　ｘ　　｝ｉ　｝ｌ　　｛０　Ｊｉ』Ｊｌ止　止　…　儿　＾ｉ　』“ｊｉＬｉ　上Ｊ　上Ｊｌｈ　１．１．　Ｊｌ　ｄ　且』』Ｌ一＾　Ｌｎ　敢　趟．５０　”　＿ｌ　Ｉｌ１　ｆ”孵ｆＩ＇¨　ｊ　９　０　－１００　温　●　度　０　２　４　６　８　１Ｏ　ｌ２　１４　ｌ６　ｌ８　２Ｏ　２２　２４　时刻／ｈ　Ｍ　变　（ｃ）车辆荷载的成变时程　时　图７程　应变计“ＹＢＨ２—２１”记录的原始应变、分离的温度　引起的应变以及车辆引起的应变　Ｆｉｇ．７　Ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｓｔｒａｉｎ　ｈｉｓｔｏｒｙ　ｒｅｃｏｒｄｅｄ　ｂｙ　ｓｔｒａｉｎ　ｇａｕｇｅ　如　“ＹＢＨ２—２１”。ｓｅｐａｒａｔｅｄ　ｓｔｒａｉｎ　ｈｉｓｔｏｒｉｅｓ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　于３．２节中对监测信息的分析，大跨桥梁正常运营　环境下任意时刻结构的应力可认为是弹性范围内　两种荷载作用分别引起的应力的简单叠加．可利用　有限元软件分别计算交通车辆荷载和环境温度变　化引起的应力时程，再将两者分别作为应力幅和平　均应力进行叠加，如式（５）所示．　￣Ｏ＂－－－Ｖ＋ａＴ．　（５）　式中：　为结构的应力；　为车辆荷载引起的应力；　为环境温度变化引起的应力．　此两种服役荷载引起的结构响应具有不同的　时间尺度，此处认为每一小时内环境温度变化引起　的应力保持不变，叠加上此时间段内所有通行车辆　荷载引起的应力，即可模拟出正常运营环境下此两　种荷载共同作用引起的应力时程．这里以钢箱梁顶　板焊接细节处为研究对象，利用上述方法计算得到　第１期　王莹等：考虑环境变温作用的大跨桥梁疲劳损伤分析　３３　３５　３Ｏ　２５　２０　篷１５　１０　５　０　‘－　Ｏ　２　４　６　８　ｌ０　ｌ２　ｌ４　应力幅／ＭＰａ　（ａ）车辆倚载＋环境温度变化　（ａ）车辆错载引起的应力时程的　维应力幅谱　６００　ｒ　５００　３５　３Ｏ　２５　２０　萎４０ｏ　　｛妊ｌ５　１０　３００　｛籁　薛　Ｏ　∞　如　柏　∞　加　ｍ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　２００　Ｏ　０　ｌＯ０　Ｏ　应力幅／ＭＰａ　（ｂ）车辆１ｉ；＝ｆ载　（ｂ）车辆荷载与温度引起的应力时程的　维应力幅谱　图８应变计“ＹＢＨ２—２１”获得的三维应力谱　Ｆｉｇ．８　Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｒｅｃｏｒｄｅｄ　ｂｙ　ｓｔｒａｉｎ　ｇａｕｇｅ“ＹＢＨ２—２１’’　一图９不同荷载工况下结构局部应力　时程的二维应力谱　Ｆｉｇ．９　Ｉ　ｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　　一天中车辆荷载单独作用和车辆荷载与环境温度　＿＿Ｉ＿＿－－ｌ２　。　　变化共同作用下其处的应力时程，图９（ａ）（ｂ）分别　式中：Ｂ、ａ、口为材料常数；ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｌｏａｄｓ　和　分别为经过　给出了利用雨流计数得到的此两种工况下的应力　幅的二维统计图，以更明显地表现出不同荷载作用　工况下结构应力幅的分布规律．从图中可看出：与监　测数据的雨流计数结果不同，由于计算时采用标准　雨流计数获得的第ｉ级应力幅值和平均应力；Ｎ　，－　为应力循环的总次数．　基于传统的Ｍｉｎｅｒ定律和ＣＤＭ模型计算获得　了车辆荷载和环境温度变化引起的疲劳损伤累积，　如图１Ｏ所示．利用Ｍｉｎｅｒ准则和ＣＤＭ疲劳损伤模　疲劳车模型，应力幅值的大小呈现出较离散的分布　形式．　型计算的车辆荷载引起的疲劳损伤累积过程不同，　如果认为损伤为０．８时结构破坏，那么相应的结构　Ｌｉ等［　提出了基于连续介质损伤力学（Ｃｏｎ—　ｔｉｎｕｕｍ　Ｄａｍａｇｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ－－ＣＤＭ）的高周疲劳损　伤模型，认为在役桥梁结构局部的疲劳损伤是一个　疲劳寿命分别为１５０年和１８３年．显然，对于在役桥　梁结构疲劳损伤累积来说，线性Ｍｉｎｅｒ准则在结构　非线性的累积过程，考虑材料中的损伤累积仅当损　伤有效应力大于材料的疲劳应力门槛值时才会发　生，桥梁结构在复杂的随机荷载作用下高周疲劳损　伤方程可表示为：　Ｄ＝１－－　×　服役初期夸大了疲劳损伤的作用，不能体现出疲劳　损伤早期累积速率小、后期逐渐变大的过程，而基　于ＣＤＭ模型计算的疲劳损伤能很好地描述结构实　际运营过程中非线性的累积过程．另外。仅考虑环境　温度变化时桥梁结构局部的疲劳损伤值很小，与交　通荷载相比几乎可以忽略．　但是，正常运营过程中环境温度变化与交通荷　载共同作用引起的疲劳损伤却表明环境变温荷载　∑［（　＋２ａ　）　］‘　胆　”．　（６）　３４　湖南大学学报（自然科学版）　０．８　０．６　鲤　０．４　鞲　０．２　Ｏ　０　５０　１００　ｌ５Ｏ　２００　服役期／年　图１Ｏ不同损伤准则下的损伤值　Ｆｉｇ．１０　Ｄａｍａｇｅ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄａｍａｇｅ　ｒｕｌｅｓ　是结构疲劳损伤分析中的重要荷载因素，图１１给出　了基于（　Ｍ模型的正常运营环境下交通荷载单独　作用和考虑环境温度变化与交通荷载共同作用的　两种工况下疲劳损伤累积过程曲线．可以看出：此两　种工况下结构的疲劳寿命分别为１５３年和１８３年，　即环境温度变化导致结构的疲劳寿命缩短了３ｏ年．　在结构服役初期，环境变温荷载对结构疲劳损伤的　影响并不明显，随着后期结构疲劳损伤的不断累　积，环境变温荷载会使得结构疲劳损伤以更快的速　率累积并很快达到损伤临界值，即在正常运营环境　下，环境温度的变化会使得结构的疲劳损伤累积更　快地进人损伤累积快速区．可见，环境温度变化引起　的荷载与交通荷载引起的疲劳损伤之间的交互作　用是桥梁疲劳损伤分析中不可忽视的重要因素．　＿　．　“　…　：ｌｌⅢⅢ：　。　＿．：　一　一……　………一ｌ　境变温　ｔｓ　交通荷载　．ｆ　｛　遥Ｏ·６　Ｏ．４　－　－－－－ｉＩＩ　Ｏ．２　．．。ｌ－－－　Ｏ　０　５０　１００　１５０　２００　服役期／年　图１１　不同荷载＿Ｙ－况引起的损伤　Ｆｉｇ．１　１　Ｄａｍａｇｅ　ｖａｌｕｅ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｌｏａｄｓ　产生上述疲劳损伤规律的原因如下：环境温度　变化主要决定着结构疲劳应力谱中的平均应力，根　据式（６）中ＣＤＭ疲劳损伤模型可知，平均应力和应　力幅均是引起结构疲劳损伤的重要因素，且两者存　在着交互项．显然，应力幅的影响程度远高于平均应　力．但是，在某一特定温度条件下，车辆通过桥梁引　一ｒ　．　；　，　起结构的应力循环中的平均应力会得到显著提高，二　二　～一　　－　导致其引起的结构疲劳损伤会有略微的增加．对于　具有较长服役寿命的桥梁结构来说，在运营过程中　这种微小的损伤放大作用会逐渐累积．因此在服役　初期环境变温对结构疲劳损伤累积的影响并不明　显，随着服役时间增长，此影响会愈发显著，以至于　导致结构疲劳损伤会较快达到临界值发生疲劳　破坏．　３．４　交通与环境温度变化对钢箱梁疲劳损伤的　影响　对未来服役期内荷载的更新是结构疲劳损伤　分析中不可忽视的重要环节．交通荷载和环境变温　荷载是影响在役桥梁结构疲劳损伤累积的重要荷　载因素，所以此处考虑了未来运营环境下交通流量　增长和气候变暖两方面因素来实现结构疲劳损伤　分析．　３．４．１　交通流量增长　随着经济的不断发展，交通流量以较快的速率　增长，对在役桥梁结构的承载能力带来了极大的挑　战．例如南京长江大桥公路桥多年来超负荷运转，实　际车流量是设计流量的８倍多，铁路桥平均５　ｍｉｎ　就有一趟列车．根据润扬长江大桥的交通量预测报　告，该桥在服役期内的交通流量预测模型＿８］如下：　，、　ｆ一７４．６９ｘ　＋４　４０３．６３ｘ＋１５　９３１．７１，ｚ＜３０；　Ｙ　Ｌｚ　＝＝＝（　’　【８０　０００，ｚ≥３０．　（７）　式中：．ｙ表示通车ｚ年后的日交通流量．　在此交通流量预测模型中，桥梁服役前３Ｏ年交　通流量会有显著增长，如图１２所示，而后会趋于平　缓．利用式（７）中的交通流量预测模型可获得随着交　通流增长的结构局部疲劳损伤累积．润扬斜拉桥于　２００５年４月３０日正式通车，图１３给出了交通流量　有较大幅度增长的前３Ｏ年的结构局部疲劳损伤累　积曲线．可看出，与不考虑交通流量增长的情况相　比，前者会显著提高结构疲劳损伤累积速率．在交通　流量快速发展的前３０年，结构内部疲劳损伤累积以　明显高于初始交通流量工况下相应值的速率增加，　至２０３５年交通流量将达到初始交通流量的５倍，相　应的结构疲劳损伤累积为初始交通状态下的４　倍多．　３．４．２气候变暖　环境温度变化引起的荷载是引起在役桥梁正　常运营过程中结构疲劳损伤累积的重要因素之一．　第１期　王莹等：考虑环境变温作用的大跨桥梁疲劳损伤分析　３５　一　　：？　≯　■　：　　；　：皿　图１２日交通流量增长曲线　Ｆｉｇ．１２　Ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｄａｉｌｙ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｆｌｏｗ　图１３考虑交通流量增长的损伤累积　Ｆｉｇ．１３　Ｄａｍａｇｅ　ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｖｃｈｉｃｌｅ　ｆｌｏｗ　由于人类活动造成的大气中温室气体的持续增加，　中国未来气候呈现出变暖的趋势．研究表明＿１　：在　全球变暖的背景下，中国气候变暖呈现出较大的增　长幅度，区域平均的年均地表气温上升２．７～２．９　℃／ｌＯＯ　ａ（ａ代表年）．这里假设桥梁结构温度升高３　℃，可获得考虑气候变暖的关注位置处的疲劳损伤　累积，如图１４所示．可看出：结构疲劳损伤累积受气　候变暖的影响程度很小，几乎可忽略．因此，在结构　疲劳损伤分析中可不考虑环境变温荷载模型的　更新．　４结论　以润扬长江北汊斜拉桥为工程背景，基于多尺　度有限元模型和实测温度时程数据，实现了从热分　析到结构应力的分析．对实测的应变时程数据进行　分离和提取，获得环境变温和车辆荷载引起的应变　的规律，在此基础上利用连续介质力学理论分析两　者交互作用所引起的累积疲劳损伤．主要结论如下：　图ｌ４考虑气候变暖的疲劳损伤值　Ｆｉｇ．１４　Ｄａｍａｇｅ　ｖａｌｕｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｃｌｉｍａｔｅ　ｗａｒｍｉｎｇ　１）通过设置合理的结构温度与大气环境温度　的“迟滞”时间，可利用正弦函数描述温度变化，结　果显示：ａ）昼夜温度变化引起的平均应力的计算值　和监测值的误差在合理范围内Ｉｂ）钢箱梁顶板的平　均应力值明显高于底板；ｃ）不同季节温度变化引起　的应力幅的差异较小，而平均应力则受日平均温度　的影响会显著不同．　２）与交通荷载作用引起的疲劳损伤相比较，环　境变温荷载单独作用引起的疲劳损伤值可忽略不　计，但两种荷载交互作用对损伤累积的影响不可忽　略．随着疲劳损伤的不断累积，环境变温会加速结构　服役中后期疲劳损伤的累积速率，进而对疲劳寿命　产生显著影响．　３）未来交通流量的增长会显著加速结构的疲　劳损伤累积．尽管环境变温和车辆的交互作用对结　构损伤累积过程有显著影响，但在桥梁长期服役过　程中，气候变暖引起的结构疲劳损伤累积过程的变　化很小，故对损伤的时变性进行分析时，环境变温　荷载的更新可不予考虑．　４）由于润扬大桥钢箱梁同一部位布置了应变　传感器和温度传感器，故可利用车辆和温度对应的　不同频域特征来分离出两种因素分别引起的应变，　但实际上总应变的一部分是由横风引起的．由于润　扬大桥的风速风向仪只设置在桥塔顶部，未能和箱　梁不同部位的应变传感器和温度传感器建立起相　应的“配对”关系，故总应变中由风场引起的应变未　予考虑，这方面的工作将在后续研究中加以完善．　参考文献　［１］ＤＯＭＥＮＥＣＨ　Ａ，ＭＵＳＥＲＯＳ　Ｐ，ＭＡＲＴＩＮＥＺ－ＲＯＤＲＩＧＯ　Ｍ　ｎ　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｘ—　３６　湖南大学学报（自然科学版）　２０１８正　ｉｍｕｍ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｏｆ　ｓｉｍｐｌｙ－ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ｕｎｄｅｒ　ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ　ｒａｉｌｗａｙ　ｔｒａｆｆｉｃ［Ｊ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０１４，　７２：１２３—１３９．　Ｅ２］ＷＥＳＴＧＡＴＥ　Ｒ，ＫＯＯ　Ｋ　Ｙ，ＢＲＯＷＮＪＯＨＮ　Ｊ，ｅｔ　ａ１．Ｓｕｓｐｅｎ—　ｓｉｏｎ　ｂｒｉｄｇｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｅｘｔｒｅｍｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｌｏａｄｓ［Ｊ］．　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１４，１０（６）：８２１　—８３３．　［３］　ＯＳＨＩＭＡ　Ｙ，ＹＡＭＡＭＯＴＯ　Ｋ，ＳＵＧＩＵＲＡ　Ｋ．Ｄａｍａｇｅ　ａｓ—　ｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ａ　ｂｒｉｄｇｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｍｏｄｅ　ｓｈａｐｅｓ　ｅｓｔｉｍａｔｅｄ　ｂｙ　ｒｅ—　ｓｐｏｎｓｅｓ　ｏｆ　ｐａｓｓｉｎｇ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｊ］．Ｓｍａｒｔ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，　２０１４，１３（５）：７３１—７５３．　［４］朱志辉，王力东，龚威，等．基于改进迭代模型的车桥耦合系　统竖向随机振动研究［Ｊ］．湖南大学学报（自然科学版），２０１６，　４３（１１）：１２０～１３０．　ＺＨＵ　Ｚ　Ｈ，ＷＡＮＧ　Ｌ　Ｄ，ＧＯＮＧ　Ｗ，ｅｔ　ａ１．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｒａｎｄｏｍ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｒａｉｎ－ｂｒｉｄｇｅ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｍ—　ｐｒｏｖｅｄ　ｉｔｅｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔ—　ｕｒａｌ　ＳＣｉｅｎｃｅｓ），２０１６，４３（１１）：１２Ｏ一１３０．（Ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［５］邓露，王芳．汽车制动作用下预应力混凝土简支梁桥的动力响　应及冲击系数研究［Ｊ］．湖南大学学报（自然科学版），２０１５，　４２（９）：５２—５８．　ＤＥＮＧ　Ｌ，ＷＡＮＧ　Ｆ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ　ａｎｄ　ｉｍ—　ｐａｃｔ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｓｉｍｐｌｙ－ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｇｉｒｄｅｒ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｂｒａｋｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ），２０１５，４２（９）：５２—５８．（Ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［６］王莹．大跨缆索桥钢箱梁疲劳状态评估方法研究［Ｄ］．南京：东　南大学土木工程学院，２００９：２７—２８．　ＷＡＮＧ　Ｙ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ—ｂｏｘ　ｇｉｒｄｅｒｓ　ｉｎ　ｌｏｎｇ－ｓｐａｎ　ｃａｂｌｅ　ｂｒｉｄｇｅ［Ｄ］．Ｎａｎｊｉｎｇ：　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００９：２７　—２８．（Ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［７３　ｗＵ　Ｂ　ｊ，ＬＩ　ｚ　ｘ，ＣＨＡＮ　Ｈ　Ｔ，ｅｔ　ａ１．Ｍｕｌｔｉｓｃａｌｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｎｌｉｎｅ　ｓｔｒａｉｎ　ｆｏｒ　ｌｏｎｇ－ｓｐａｎ　ｂｒｉｄｇｅ［Ｊ］．　Ｓｍａｒｔ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，２０１４，１４（４）：６７９—６９７．　［８Ｉ郭彤，李爱群．基于长期监测数据的桥面板焊接细节疲劳寿命　评估［Ｊ］．土木工程学报，２００９，４２（６）：６６—７２．　ＧＵｏ　Ｔ，Ｕ　Ａ　Ｑ＿Ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｗｅｌｄｓ　ｉｎ　ｂｒｉｄｇｅ　ｄｅｃｋｓ　ｕｓｉｎｇ　ｌｏｎｇ　ｔｅｒｍ　ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ　ｄａｔａ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉ—　ｎｅｅｒｉｎｇ　Ｊｏｕｒｎａｌ，２００９，４２（６）：６６—７２．（Ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［９］　ＧＵＯ　Ｔ，ＬＩ　Ａ　Ｑ，ＷＡＮＧ　Ｈ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ａｍｂｉｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｄａｍａｇｅ　ｏｆ　ｗｅｌｄｅｄ　ｂｒｉｄｇｅ　ｄｅｃｋｓ［Ｊ］．　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｆａｔｉｇｕｅ，２００８，３０（６）：１Ｏ９２—１１０２．　［１Ｏ］ＮＡＣＥＵＲ　Ｈ，ＲＡＨＭＯＵＮ　Ｊ，ＨＡＬＧＲＩＮ　Ｊ，ｅｔ　ａ１．Ｍｕｌｔｉｓｃａｌｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ　ｏｆ　ｄｕｃｔｉｌｅ　ｄａｍａｇｅ　ｂｅｈａｖｉｏｕｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｕｍａｎ　ｆｅｍｕｒ　ｕｎｄｅｒ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｌｏａｄｉｎｇ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｄａｍａｇｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２０１５，２４（３）：４１８－－４４５．　［１１］ＮＥＺＨＡＤＭＭ，ＺＨＵＨＨ，Ｊｕ　ＪＷ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｍｕｌ—　ｔｉｓｃａｌｅ　ｄａｍａｇｅ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｌｙ　ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　ｓｈａｌｅ　ｒｏｃｋｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｌｏａｄｉｎｇ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｄａｍａｇｅ　Ｍｅ—　ｃｈａｎｉｃｓ，２０１６，２５（５）：７０５～７２６．　［１２３郝龙．既有钢桥疲劳寿命与使用安全可靠度评估［Ｄ］．西安：　长安大学公路学院，２０１１：１１—２４．　ＨＡＯ　Ｌ．Ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　ａｎｄ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｆｏｒ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｓｔｅｅｌ　ｂｒｉｄｇｅｓ［Ｄ］．Ｘｉ’ａｎ：Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｈｉｇｈｗａｙ，Ｃｈａｎｇ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１１：１１—２４．（Ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［１３］李文杰．公路桥梁车辆荷载研究［Ｄ］．大连：大连理工大学土木　工程学院，２００９：５ｌ一５７，９Ｏ一９４．　ｕ　ｗ　Ｊ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｌｏａｄｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｂｒｉｄｇｅ［Ｄ］．　Ｄａｌｉａｎ：Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９：５１—５７，９０—９４．（Ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　ｒ１４］ＴＡＹＳＩ　Ｎ，ＡＢＩＤ＆Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｏｘ－ｇｉｒｄｅｒ　ｂｒｉｄｇｅｓ：ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ａｎｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　ｓｔｕｄｉｅｓ［Ｊ］．Ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉ—　ｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，１８（４）：４６９—４８６．　［１５］ＲＯＤＲＩＧＵＥＺ　Ｌ　Ｅ，ＢＡＲＲ　Ｐ　Ｊ，ＨＡＬＬＩＮＧ　Ｍ　ｗ．Ｔｅｍｐｅｒａｔ—　ｕｒｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｎ　ａ　ｂｏｘ－ｇｉｒｄｅｒ　ｉｎｔｅｇｒａｌ—ａｂｕｔｍｅｎｔ　ｂｒｉｄｇｅ［ｊ］．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　Ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ，２０１４，２８　（３）：５８３～５９１．　［１６１杨宁．无铺装层钢箱梁日照温度场及其效应研究［Ｄ］．长沙：　长沙理工大学土木与建筑工程学院，２００９：５４—５６．　ＹＡＮＧ　Ｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ＆ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｂｏｘ　ｇｉｒｄｅｒ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｏｌａｒ　ｒａｄｉａ—　ｔｉｏｎｓ［Ｄ］．Ｃｈａｎｇｓｈａ：Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｒｅｈｉ—　ｔｅｃｔｕｒｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　２００９：５４—５６．（Ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［１７１王莹，李兆霞，赵丽华．大跨钢桥钢箱梁损伤时变模型及疲劳　可靠性评估［Ｊ］．东南大学学报（自然科学版），２０１３，４３（５）：　１０ｌ７—１０２３．　ＷＡＮＧ　Ｙ，ＬＩ　Ｚ　Ｘ，ＺＨＡＯ　Ｌ　Ｈ．Ｔｉｍｅ－ｖａｒｙｉｎｇ　ｄａｍａｇｅ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｂｏｘ－ｇｉｒｄｅｒ　ｏｆ　ｌｏｎｇ－ｓｐａｎ　ｓｔｅｅｌ　ｂｒｉｄｇｅ［Ｊ］　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉ—　ｅｎｃｅ），２０１３，４３（５）：１Ｏ１７—１０２３，（ＩｎＣｈｉｎｅｓｅ）　［１８］ＬＩ　ｚ　Ｘ，ＣＨＡＮ　Ｔ　Ｈ　Ｔ，ＫＯ　Ｊ　Ｍ．Ｆａｔｉｇｕｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｌｉｆｅ　ｐｒｅ—　ｄｉｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ｗｉｔｈ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｈｅａｌｔｈ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｄａｔａ－－ｐａｒｔ　Ｉ：ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｓｔｒａｔｅｇｙ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｆａ—　ｔｉｇｕｅ，２００１，２３（１）：４５—５３．