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实验室规模钢桁梁桥表现的局部破坏效应
摘要：
本文介绍了钢桁架桥受局部损伤表现的调研。实验程序对16种伤害情况下受损桁架系统的表现进行研究。用一种三维数字模型来预测试验结果。我们对被损坏的桁架的静态和动态响应进行了对照相比。我们利用各种技术进行研究，其中包括使用基于简单的可靠度理论损伤指标，额定载荷，应变能的变化，模态分析和结构安全的损害量化。局部损伤（即损伤指数gt;0.5）对桁架桥梁的使用性能有着显著的影响，并且随着伤害的增加，承载能力呈现出指数减少。高振型，如第四模式是用于桁架系统局部损坏诊断的指标。使用偏转特性导出的全球安全指数，是间接检测系统中局部损伤的一个指标。除了那些相邻的损伤，桁架成员之间构成的应力重分布是微不足道的。根据变位特性的系统全局安全指数，是一个用来诊断局部损伤的指标。开发一个能解决损坏桁架桥的整体冗余修复方法，需要被高度重视。
关键词：
损伤，桁架，冗余，安全指标
1 介绍
桥梁基础设施的恶化是全球关注的焦点。据美国土木工程师学会，美国2010年桥梁的平均年龄是43岁，这些桥被整体定位为C等级。与此同时，全国有25%的桥梁被列为结构性缺陷或功能过时。被判定为这两个类别的桥梁并不能按照其所需的功能继续服役，公众对桥梁使用的需求也得到了一定程度的限制。政府机构花费大量的支出，及时维修这些问题桥梁。在许多情况下，桥梁的功能下降可以归因于老化、环境破坏、大量比他们最初设计时更高层次的需求和负载、更大量的除冰剂使用，还有最初设计的先天缺陷等。除了众多的桥梁不符合现行标准，特大桥倒塌等事件，比如在明尼阿波利斯的I-35大桥倒塌事件，让人们对现有桥梁的相关问题更加关注。郝说I-35W大桥是由于当地居民给大桥的负载过多而不幸倒塌的：节点板设计厚度和构件的侧壁厚度都不足以支持过量的负载。
前人在研究桁架桥的表现方面已经做出努力。Lenett等人在艾恩顿、俄亥俄州、罗素和肯塔基之间的一个三跨桁架桥实施了一个试验项目。他们对大桥的存在状态和修复杆进行检查。当受到已知卡车的撞击时，目标构件的应变反应全部被监测出来。检验数据为大桥的评级提供了重要的信息来源。Azizinamini使用一个退役的桁架桥进行全面的负载测试，对该桥的承载能力进行了实验测定和故障模式观察。一个斜拉构件的突变故障会造成桁架系统的局部失效，因而更应重视老旧桁架桥受拉构件的局部故障监测。Alampalli和库宁检查了一座维修翻新过的50岁桥梁的桥面和桥桁架系统之间的相互作用，他们使用了重型卡车的几种荷载组合来测量桥的响应。测试结果表明，桥面板的响应是由桁架构件的局部反应产生的。Hickey等人使用两辆25吨的卡车测试了位于弗吉尼亚州普瓦斯基和希尔斯威尔之间的260米桁架桥，测定其挠度和应变，用数值模型来预测其测试数据。调查结果包括：桥梁的反应是由地板横梁和纵梁，桁架构件局部破坏等重要的因素造成的。
从桁架桥的结构冗余角度更具体来讲，桁架桥经常被划分为多个负载路径（故障安全结构）或单负载路径（最薄弱的环节结构）。分类的类型取决于加载路径损坏时，找到合适替代结构的能力。被列为最薄弱的环节缺乏冗余的系统，因此当受损害时，变成越来越容易受到破坏的结构。戈恩和摩西提出了一个方法，对现有的桁架桥的冗余级别进行检查，系统的极限状态是基于极限、服务和损坏的程度大小。他们对系统的因素进行评估，对结构冗余和初步设计进行了论述。Nagavi和阿克坦对分桁架进行轻重的分类。桁架体系分类为压、实心杆、拉杆、小型钢材受压构件等，而系统从唯一的热轧形状和通过铆接连接节点板件装配方面进行分类。在这两个类之间的性能差异，主要是由于针端创建了一个更大的潜在的失效轻型桁架，连接在了一个缺乏冗余的结构上。基姆和Yoon表示，缺乏对钢桁架桥冗余，可导致易感性的过早失效。这是因为桁架桥通常被认为是一个非冗余系统的单个部件，其故障往往导致多个组件的连续失效和最终整个系统的失灵。
如上所述，组成结构的局部表现对桁架桥的全球反应有显著的影响。大多数研究关注的是非破坏性负载测试的桁架桥和相应反应。关于对桁架系统和实验调查局部损伤表现的有效信息还特别少见。本文做出实验，来研究规模桁架桥在具有各种损伤情况下的响应表现，本文开发了一个三维数值模型，并验证了试验数据。该模型被进一步使用以扩展实验室的发现成果。我们进行了一个简单的可靠性分析，来评估受损桁架桥的性能。
2 研究意义
与板梁桥相比，桁架桥本质上缺乏结构冗余。由于加载路径的变化，局部损伤显著影响这样一个系统的可靠性。如果超越了系统所能承受的极限，一个灾难性的事件可能会发生。局部损伤对桁架桥表现的影响需要进一步的研究。当前的实践和桁架桥的设计标准并没有明确考虑本构成员和全球响应之间的相互作用。这些事实需要研究损伤对钢桁架桥的影响。虽然已经进行了几个数值调查，来检查受损桁架桥的表现，实验的努力还是鲜有报道。本实验研究结合的建模方法，主要关注的是钢桁架桥梁从完好无损到被破坏的响应变化，包括静态和动态的行为。
3 实验程序
3.1 材料和桁架体系
甲板桁架桥是按1:20（L=6.2米）使用不同规格钢管（等级A36）设计的，如图1所示。先前也进行了类似的实验室规模桥梁测试。鉴于公路桥梁在使用荷载过程中有弹性表现，有可调节网的缩放桥，能够模拟各种不同的损伤类型的弹性负载范围（下文即将讨论）。桥梁材料和尺寸都如图1a所示。桁架系统由两个主要的桁架（屋架的1和2）组成，横向加劲架（次桁架元素）沿每个桁架顶端焊接，来提供稳定的测试环境、交叉支撑和腿部部件。一些包含这些元素的桁架桥桁架部分被用来制作一套完整的设计（图1b）。在使每个桁架上弦弯曲的横向框架设计中，交叉支撑的数量被最小化。支管的主要作用是被加载来保持系统的稳定性。钢的成分包括下列标准性能：屈服应力（RY）= 290 MPa，弹性模量（E）= 200 GPA，泊松比（t）= 0.3。
3.2 损伤模拟
损伤模拟由桁架移除网络元素生成。在第1节中提到，在对角线的局部损伤是要考虑的重要因素。图2a提供了一种损伤结构示意图。为了代表桁架桥遭受的重大损伤，一组的四个相邻元素被移除/损坏的情况，被显示在了图2b中。值得注意的是，实验室的研究往往是比可能发生的情况更严重的损害。这里设计了16种组合的伤害，取决于损坏的元件的位置（表1）。每个损伤场景识别码，表示的是1或2桁架结构的损伤位置和损伤程度（位置1，2，3，和4，如图2a所示）。例如，试样1_1表示损坏的位置是在桁架1位置1，试样1_2和2_3表示桁架1与损伤位置2和桁架2与损伤位置3的结构。
3.3 加载和仪表
桁架系统是一个典型的4.5千牛单调加载服务负载（即控制桁架的预测能力为25%）。每个测试都被加载五次，以便保证实验结果的重现性。一个25毫米厚的钢格板（915毫米，1015毫米）被用在附近的桁架跨中，如图1所示。为了实现沿炉排的液压致动器负载的均匀分布，钢通道集中在炉箅中，并跨越了篦条的全部长度。本试验通过桁架挠度线性电位，留下位于桁架跨中的记录。应变计被结合为用来测量轴向表现的选定组成部分（图1a）。该桁架结构响应控制，并且每个损坏的情况都使用Dataq数据采集系统记录。
4 数值模拟
桁架桥模型采用RISA三维结构软件进行分析。一个完整的桥梁可以用三维模型进行分析，包括两个单跨桁架，三个交叉支撑和四个码头，如图3所示。各元素的横截面的几何形状被输入到软件的材料数据库，再计算相应的截面特性。边界条件在每个墩库的基础上建立起来。每个墩度在包括纵向、横向和垂直方向都进行了自由限制。应该指出的是，墩元素被分别连接在桁架构件上，这样在实验试样的情况下，系统就可以静态稳定。一代RISA的有限元自动是子网状的。总的来说，404线元和250节点被用来产生控制桁架。采用固定连接在桁架模型的所有元素的连接，正如实验桁架（图1b）。在第3节中提到的输入值的基础上，材料性能的值就得出来了。使用的测试程序的负载（4.5千牛），沿顶部桁架弦在钢篦定位（图1C）的地方传播，作为一个分配线负荷。
图1 桁架：（a）桁架构件；（b）制造的桁架系统和连接；（c）加载和仪表
图2 损坏情况：（a）损伤位置识别；（b）模拟损伤（试样2和损伤位置1_2）
图3 数值模型显示偏转为4.5 kN的服务负载放大20倍：（a）控制桁架；（b）损坏的桁架（样品7）
5 试验结果与模型预测
5.1 静态特性
5.1.1 损伤指数
为了量化损坏的桁架系统的行为，破坏指数（DI）使用：
（1）
其中K和K0分别是控制的刚度和破坏桁架。从载荷比得出相应的各桁架的刚度。应当指出的是，与使用一个损伤指标相比，采用荷载-挠度响应更相关，因为其对桁架试件的载荷是在弹性范围内的。表1给出了测量和预测的损伤指标，包括桁架1和2的平均极限分别为16.1%和28.1%。
注意到桁架2的极限相当高时，主要破坏在桁架1（如表1例1–5所示）。这样的一个观察表明，实验1和2之间的桁架荷载分布不均匀时，如果其中一个桁架被损坏（即加载元件和桁架在测试时没有物理连接），将产生不同于理想值的负荷分配数值。这是在桁架发生损坏的位置，由标本12–16（平均3.9%）差额的减少证实。个体的预测模型刚度的反应一向是大于所测得数据（即刚性移位）的。原因在于试验桁架系统的几个桁架节段的组装（稍后进行进一步的讨论）。
图4a显示了在跨中（即损坏桁架的挠度由该控制在控制产能的25 ％的负载划分）的损伤指数和归一化变形之间的关系。在归一化的变形逐渐增加，观察到的损伤指数也会增加。注意：所有实验桁架进行的建模和相应预测没有在图4a标记，避免与测试数据匹配混乱。预测结果显示出与实验数据很好的协调性，平均误差为12%。这些结果表明，在桁架系统的局部损伤大大影响了系统的可用性，特别是指数大于0.5的至关重要的损伤。同样，图4b显示了损伤指标和预测的破坏荷载的关系。图4显示，在最重要的桁架构件达到其极限的能力时，预测增加的伤害指标的极限荷载的增加呈指数下降。例如，控制桁架经历了18.7千牛的负载，而观察到0.76-6.3千牛破坏载荷损伤指数（即33.7%的控制能力）。这些结果表明，严重程度的损伤影响突然响应的桁架系统。这种趋势可以解释为什么桁架系统在没有收到另一方即将失效的警告时更容易突然崩溃。
图4 在性能上的网架损伤水平的影响：（a）归一化偏差；（b）归一化的破坏荷载
5.1.2 应变响应
图5比较测量和预测了结构部件的跨中拉紧程度（在这里提出的是顶部和底部的损坏控制桁架1和7）。所有实验试样的应变响应，基本上是线性的，记录的应变值比菌株A36钢产量（EY = 0.0015）更低。这些观察确保使用一个单一的桁架结构多损伤情况（表1），充分进行无系统中存在的塑性损伤。实验载荷–应变的反应往往是比预测更严厉的。这可以通过连接的初始不完全接合性来进行解释：桁架系统与几种桁段系统需要在每个连接轻微的调整加载时，影响实验桁架的响应（即应变读数）。
图5 应变响应：（a）试样1-1桁架下弦；（b）试样1-1桁架上弦；（c）试样7-1桁架下弦；（d）试样7-1桁架上弦
5.1.3 损坏的桁架系统的评价
对损坏的桁架系统额定负荷使用在桥梁状态评估手册所示的方法进行：
（2）
在这里RF是组成的操作和库存的评级因素；C是桁架系统的预测能力；D和L的死和活荷载的影响，分别为A1和A2；因素I是影响因子。A1和A2操作等级，分别为1.3和1.3，而库存评级分别是1.3和2.17。通过假设平滑方法和甲板的条件，目前的桁架系统的影响因子为0.1。应当指出的是，使用的影响因素可以产生一个更现实的桁架桥评估方式，尽管这种影响因素并没有被桁架测试出来。每个场景的桁架能力作为启动的第一荷载；静荷载作为桥梁，自重0.77 kN；活荷载4.5 kN负载。图6比较了评级因素各损伤桁架的使用操作和库存率（分别为图6a，b）。观察相对恒定的桁架1评级因素，因为这在所有损坏的情况下是最主要的，如表1和图2a所示。然而桁架2评级，由于其不一致的损伤而产生位置波动。桁架2标本1–5比桁架1高63%，一般的评级因素是操作和库存。这些结果表明，这两个桁架之间的荷载传递不显著时，只有一个桁架是因为混凝土楼板连接而损坏，这两个部分是不包括在这项研究中的。图7a显示了偏转最终比例与评级因素之间的关系（失效）。这种关系表现为随着预测评价因子减小，服务偏转率在增长。对操作和库存的归一化的挠度变化率是相似的。例如，操作与桁架1库存率的变化分别为57.1%和58.8%，归一化偏差从0.26增加到0.55，如图7所示。图7b在比较损伤指标与损坏的桁架结构系统的失效负载时，显示了归一化控制结构的破坏荷载。我们发现桁架系统的损伤指数小于0.4，保持库存评级因子（代表车辆的载荷安全运行时间不确定）等于或大于1.5，与归一化的破坏荷载的0.9相关。给定的额定电流分析的目的是为了证明对损坏的桁架桥的响应的局部损伤的影响，上述特定的值不能直接用于实践。
5.1.4 应变能
分析力从当地的桁架损伤造成的损坏再分配，桁架单元应变能的标准化由以下因素控制能量：
（3）
这里的Un是归一化单元应变能；Ui是桁架的应变能；A和L是分别是横截面积和长度；P是结构内力；E是构件的弹性模量。图8描绘了成员接近损伤对桁架构件性能的关键因素。
例如，成员M
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