基于随机荷载的引水隧洞交通钢桥疲劳荷载计算研究

王晓文

(辽宁江河水利水电工程建设监理有限公司， 辽宁 东港 118300)

0 前 言

引水隧洞交通钢桥疲劳荷载是其稳定性计算的难点和重点，其疲劳荷载的准确计算对于引水隧洞设计安全稳定至关重要[1]。当前，对于引水隧洞交通钢桥的疲劳荷载研究取得一定成果[2-8],但大都从原型试验的方式对其疲劳荷载进行分析，对于大型工程，这种方式具有较好的适用性，但对于工程造价较低的引水隧洞而言，这种方式需要的造价较高，适用性不高。近些年来，一种基于随机荷载的计算方法在一些桥梁疲劳荷载分析中得到应用[9-15]，但在水利工程上应用还较少，为探讨该方法的适用性，文章以某引水隧洞为具体工程实例，采用随机荷载方法对其交通钢桥的疲劳荷载进行计算，从而探讨该方法的适用性。研究成果对于其他水利工程疲劳荷载计算具有参考价值。

1 随机荷载计算方法

随机荷载计算方法主要通过建立变量随机分布概率来计算，计算方程为：

(1)

式中：π为检验水平；x、α分别表随机荷载值；l为随机荷载上限。随机荷载方法对其断裂临界点的疲劳因子进行计算：

da/dN=C[(△K)m-(△Kth)m]

(2)

疲劳稳定以及加速阶段的疲劳因子计算方程分别为：

da/dN=C(△K)m

(3)

(4)

式中：△K为强度因子；α为刚体断裂长度，mm；N为随机荷载次数；da/dN为断裂深度，mm；C、m为环境系数；R为结构系数；KC为强度指数；Kth为最小强度指数。其裂纹扩展度计算公式为：

a=a0+(af-a0)(n/Nf)af

(5)

式中：Nf为应力破坏次数；σ为应力变幅；Nf为荷载破坏次数；a0为裂纹初始深度，mm；af为断裂初始深度，mm；n为总荷载次数。af的计算方程为：

(6)

2 工程实例

引水隧洞工程交通钢桥的总宽度为6m，为正交型桥梁结构，上部应力钢板跨度为16m,采用桩径为1.2m的单排桩作为其桥台的基础桩。采用随机荷载的方式对该钢桥整体结构的疲劳荷载进行计算。

2.1 拉伸强度试验结果

结合随机荷载计算方法对不同钢筋条件下的钢桥进行拉伸量进行计算，边板不同钢筋条件下的拉伸量计算对比结果，见表1；中板不同钢筋条件下的拉伸量计算对比结果，见表2。

从计算结果可看出，不同钢筋条件下两种类型钢板下计算值和实际拉伸值的计算误差均低于5%，满足设计标准要求。不同钢板类型下其拉伸值随着钢筋比例的提高而逐步增加，边板拉伸变幅总体低于中板的拉伸变幅，由于正交钢板技术影响使得中板的拉伸强度高于边板的拉伸强度。

2.2 疲劳荷载曲线计算

结合随机荷载计算方法对引水隧道交通钢桥中板和边板的疲劳荷载曲线进行计算，引水隧洞交通钢桥边板疲劳荷载曲线计算结果，见表3；引水隧洞交通钢桥中板疲劳荷载曲线计算结果，见表4。

表1 边板不同钢筋条件下的拉伸量计算对比结果

表2 中板不同钢筋条件下的拉伸量计算对比结果

表3 引水隧洞交通钢桥边板疲劳荷载曲线计算结果

表4 引水隧洞交通钢桥中板疲劳荷载曲线计算结果

从计算结果可看出，引水隧洞交通钢桥的中板和边板随着荷载次数的增加其疲劳强度逐步提高，当循环荷载次数从1000次提高到600000000次后，其钢板疲劳度达到最高，处于断裂临界点，钢桥中板疲劳强度变幅总体低于边板，但循环荷载次数达到最大值，其应力变幅高于边板。

2.3 常规荷载条件下钢桥疲劳荷载计算

在常规荷载条件下，对引水隧洞钢桥总体结构和正交异性疲劳荷载进行计算，引水隧洞钢桥总体结构疲劳荷载计算结果，见表5；引水隧洞钢桥正交异性钢板疲劳荷载计算结果，见表6。

表5 引水隧洞钢桥总体结构疲劳荷载计算结果

表6 引水隧洞钢桥正交异性钢板疲劳荷载计算结果

从引水隧洞交通钢桥总体结构和正交异性钢板疲劳荷载计算结果可看出，钢桥腹板焊接疲劳极限次数可到39次，在总体结构中具有最高疲劳强度，相比于其他结构更易出现疲劳断裂，因此需要对引水隧洞钢桥腹板连接处进行加固。从不同方法疲劳荷载计算对比结果可看出，相比于传统方法，新方法可采用随机荷载计算方法，可提高引水隧洞交通钢桥疲劳荷载的计算精度。

3 结 论

1)不同钢板类型下其拉伸值随着钢筋比例的提高而逐步增加，边板拉伸变幅总体低于中板的拉伸变幅，由于正交钢板技术影响使得中板的拉伸强度高于边板的拉伸强度。

2引水隧洞交通钢桥的中板和边板随着荷载次数的增加其疲劳强度逐步提高,钢桥中板疲劳强度变幅总体低于边板，但循环荷载次数达到最大值，其应力变幅高于边板。

3)从不同方法疲劳荷载计算对比结果可看出，相比于传统方法，新方法可采用随机荷载计算方法，可提高引水隧洞交通钢桥疲劳荷载的计算精度。