长寿双层钢桁梁桥横向双车疲劳荷载模型和构建方法

本发明属于桥梁工程，具体涉及到一种长寿双层钢桁梁桥横向双车疲劳荷载模型和构建方法。

背景技术：

1、不同地域的经济发展程度、居民生产生活模式存在差异，导致钢桥所承受的实际交通荷载存在差异。在钢桁梁整体节点设计阶段，通常依据现行规范推荐的标准疲劳荷载模型开展抗疲劳性能验算。但随着重载营运车辆占比逐年增大，现有设计采用的车辆疲劳荷载模型，亟需反映实际交通荷载特征，以满足整体节点抗疲劳设计。

2、已有相关研究大多以钢桥整体力学响应作为依据，例如关键控制截面的弯矩、挠度等指标，构建的车辆疲劳荷载模型并未兼顾钢桥构造细节的局部几何特征。中国《钢结构桥梁设计规范》（jtg d64-2015）虽明确给出了钢桥构造及连接部位抗疲劳设计、验算对应的车辆疲劳荷载模型，但车辆荷载分布具有显著地域差异性；且现行规范标准疲劳荷载模型多基于早期部分地区双向双车道、四车道交通调研数据建立，难以适配宽幅双层桁梁桥上下多层、多车道并行的实际交通运行状况。

3、因此，亟需构建能够表征公路双层桁梁连续梁桥整体节点构造细节疲劳累积损伤规律的横向双车疲劳荷载模型，并为同类型桥梁整体节点的抗疲劳优化设计与评估提供理论依据与技术参考。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种能够表征公路双层桁梁整体节点构造细节疲劳累积损伤规律的长寿双层钢桁梁桥横向双车疲劳荷载模型。

2、本发明的另一个目的在于提供一种构建长寿双层钢桁梁桥横向双车疲劳荷载模型的方法。

3、解决上述技术问题采用的技术方案是：一种长寿双层钢桁梁桥横向双车疲劳荷载模型，该模型包括横向并行的模型车所构成的横向双车疲劳荷载模型ft，所述横向双车疲劳荷载模型ft为：

4、                 （1）

5、式（1）中，λt为设计使用年限为t年时对应的总重放大系数，dt为设计使用年限为t年时细节的疲劳累积损伤；d1为细节年疲劳累积损伤，t取值为100年或200年；为疲劳车的车轴数量；i为疲劳车的车轴编号；awi为横向双车疲劳荷载模型疲劳车第i个车轴的轴载，单位为kn，awi的取值范围可通过实测交通荷载数据统计分析后得到；lk为横向双车疲劳荷载模型疲劳车长度范围内疲劳荷载作用点与疲劳车第1个车轴之间沿桥梁纵向的距离，单位为m；lh为横向双车疲劳荷载模型疲劳车的宽度范围内疲劳荷载作用点与该重车道的外侧边缘的距离，单位为m；ld1为最外侧重车道的疲劳车横向中心与该重车道外侧边缘的距离，ld2为次外侧重车道的疲劳车横向中心与该重车道外侧边缘的距离，单位为m；lhi为横向双车道疲劳荷载模型疲劳车第i个车轴与第1个车轴之间沿桥梁纵向的距离，单位为m；adi为横向双车疲劳荷载模型疲劳车第i个车轴与第i-1个车轴之间沿桥梁纵向的距离，单位为m，adi的取值可通过实测交通荷载数据统计分析后得到。

6、本发明式（1）所述横向双车疲劳荷载模型疲劳车第i个车轴的轴载awi、最外侧重车道的疲劳车横向中心与该重车道外侧边缘的距离ld1、次外侧重车道的疲劳车横向中心与该重车道外侧边缘的距离ld2由下式（2）确定：

7、      （2）

8、式（2）中，ntop为双层钢桁梁上层桥面整体节点疲劳细节的数量，nlow为下层桥面整体节点疲劳细节的数量；dflm, m(x)为双层钢桁梁上层桥面整体节点第m个细节在横向双车道疲劳车作用下的疲劳累积损伤，dtop, m为双层钢桁梁上层桥面整体节点第m个细节在实测车流作用下的疲劳累积损伤；dflm, s(x)为双层钢桁梁下层桥面整体节点第s个细节在横向双车道疲劳车作用下的疲劳累积损伤，dlow, s为双层钢桁梁下层桥面整体节点第s个细节在实测车流作用下的疲劳累积损伤。

9、本发明式（1）所述ld1取值范围为[1.2, 2.5]，单位为m；ld2取值范围为[1.2,2.5]，单位为m；d1取值范围为[0, 1]；dt取值范围为[0, 1]；lk取值范围为[0, 13.5]，单位为m；lh取值范围为[0, 3.75]；n取值范围为[2, 6]；i取值范围为[1, 6]。

10、本发明涉及的长寿双层钢桁梁桥横向双车疲劳荷载模型构建方法，包括以下步骤：

11、步骤1、收集双层钢桁梁桥车辆荷载数据

12、利用双层钢桁梁桥的动态称重系统获得道路通行各车型的轴重wi，轴间距li，车型、车辆行驶车道、车间距、行车道总数量zl；

13、步骤2、确定关注细节应力响应面

14、建立双层钢桁梁桥全桥多尺度有限元模型，全桥多尺度有限元模型中双层钢桁梁采用壳单元模拟，疲劳细节采用实体单元模拟；采用单位轴载在各车道内加载获得细节应力响应面，应力响应面由时间与该时间对应的应力响应组成；

15、步骤3、确定损伤主导车型

16、基于影响面加载原理，利用步骤2获得的细节应力响应面，将实测车流的各车型在细节应力响应面上加载，确定细节应力时程一，所述细节应力时程一由时间与该时刻对应的应力响应组成；采用雨流计数法，基于线性累积损伤理论，得到实测车流中不同车型作用下的细节疲劳累积损伤，将各车型作用下的疲劳累积损伤除以所有车型作用下的疲劳累积损伤之和，得到各车型作用下的疲劳累积损伤比值，将比值按照从小到大排序后，选择比值最大的车型作用损伤主导车型；

17、步骤4、确定细节分别在单车道实测车流作用下、所有车道实测车流作用下的疲劳累积损伤

18、基于影响面加载原理，利用步骤2获得的细节应力响应面，分别将单车道实测车流、所有车道实测车流在细节应力响应面上加载，确定细节应力时程二，所述应力时程二由时间与该时刻对应的应力响应组成；采用雨流计数法，基于线性累积损伤理论，得到各单车道实测车流的细节疲劳累积损伤zdil、所有车道实测车流作用下的细节疲劳累积损伤zd；

19、步骤5、双车疲劳荷载模型构建与加载车道选择

20、利用步骤4获得的各单车道实测车流的细节疲劳累积损伤zdil、所有车道实测车流作用下的细节疲劳累积损伤zd，其中，细节疲劳累积损伤包括钢桁梁上层横梁与节点连接细节疲劳累积损伤、钢桁梁下层横梁与节点连接细节疲劳累积损伤、钢桁梁腹杆与节点连接细节疲劳累积损伤；将各单车道实测车流的细节疲劳累积损伤zdil除以所有车道实测车流作用下的细节疲劳累积损伤zd，得到各车道实测车流作用下的疲劳累积损伤比值，将比值按照从小到大排序后，得到疲劳累积损伤比值最小值rdmin，疲劳累积损伤比值最大值rdmax，采用最小二乘约束缩放法，利用下式（3）确定修正后的疲劳累积损伤比值rdil：

21、                         （3）

22、将修正后的比值按照从小到大排序后，按照从大到小累加，当累加和大于0.7时，对应的车道为车辆疲劳荷载模型需要加载的车道，以损伤主导车型作为横向双车疲劳荷载模型ft疲劳车的车型在对应车道进行加载；

23、步骤6、建立关于横向双车疲劳荷载模型ft参数的优化目标函数

24、基于疲劳细节分别在实测车流作用下、横向双车疲劳荷载模型ft疲劳车作用下的疲劳累积损伤等效的原则，建立式（2）所示的优化目标函数；

25、步骤7、确定横向双车疲劳荷载模型ft的各参数取值

26、对式（2）进行优化求解，得到横向双车疲劳荷载模型疲劳车第i个车轴的轴载awi、最外侧重车道的疲劳车横向中心与该重车道外侧边缘的距离ld1、次外侧重车道的疲劳车横向中心与该重车道外侧边缘的距离ld2；其中疲劳车的各轴重awi取值范围由损伤主导车型实测各轴重wi的最大值与最小值确定，疲劳车的各横向双车疲劳荷载模型疲劳车第i个车轴与第i-1个车轴之间沿桥梁纵向的距离adi取损伤主导车型实测轴间距li的平均值。

27、本发明步骤5所述加载车道选择为：确定钢桁梁上层横梁与节点连接细节疲劳累积损伤时，采用横向双车道疲劳车在靠近细节的上层桥面最外侧重车道加载；确定钢桁梁下层横梁与节点连接细节疲劳累积损伤时，采用横向双车道疲劳车在靠近细节的下层桥面最外侧重车道加载；确定钢桁梁腹杆与节点连接细节疲劳累积损伤时，同时采用横向双车道疲劳车在上层桥面、下层桥面靠近细节的最外侧重车道加载。

28、本发明相比于现有技术具有以下优点：

29、本发明建立了同时适用于双层钢桁梁桥上层整体节点细节、下层整体节点细节疲劳累积损伤计算的横向双车疲劳荷载模型，为工程师进行抗疲劳设计和疲劳寿命评估提供了便捷、科学的工具，最终目标是保障桥梁在100年乃至200年的设计使用寿命内的结构安全，克服了现有技术中直接套用规范或单层桥梁荷载模型的局限，能更真实地反映该类桥梁独特的受力特点，通过建立专门的横向双车模型，可以更准确地模拟车辆在桥面横向不同位置行驶时产生的疲劳荷载效应，这有助于得到更符合实际情况的应力时程，从而显著提高疲劳寿命评估的可靠性。