在役橋樑結構疲勞監測與評估（簡體書）

《在役橋樑結構疲勞監測與評估》介紹了作者十多年來在大型橋樑結構疲勞狀態監測與評估方法領域的主要研究成果及其在重要橋樑工程中的應用，包括橋樑結構疲勞應力場的監測與分析方法，基於監測信息的橋樑結構疲勞狀態分析理論及其實施方法。重點介紹了在橋樑結構疲勞分析與評估過程中的關鍵理論與方法，包括鋼橋樑在服役荷載下的高周疲勞損傷力學理論、基於監測信息的橋樑疲勞狀態評估的確定性方法、以疲勞狀態評估為目標的大型橋樑結構多尺度有限元模擬、基於橋樑交通荷載測量系統的活載模型的建立、在役橋樑結構的關鍵疲勞構件識別與疲勞累積過程仿真分析方法、在役橋樑結構疲勞壽命可靠性評估方法，以及在役橋樑結構基於監測、數值分析、人工檢測等多方面信息進行疲勞狀態綜合評估的方法。同時介紹了上述理論和方法在青馬大橋、潤揚大橋、蘇通大橋等重大橋樑工程中的應用，包括監測與評估方法實施過程中所需的相關軟件。
《在役橋樑結構疲勞監測與評估》可以作為力學，土木，交通相關專業研究的參考讀物，也可供相關領域科研人員。橋樑運營管理和設計的技術人員在其研究和工作中參考。

李兆霞、王瑩編著的《在役橋梁結構疲勞監測與評估》的出版可望使作者在橋梁結構疲勞損傷監測與評估領域的研究成果在學術界和工程界得到進一步的發展和應用，從而發揮其科學價值和社會經濟價值：基于連續損傷力學理論建立的橋梁構件在實測隨機變幅荷載下的疲勞損傷演化率的疲勞損傷演化模型符合橋梁結構中疲勞累積的物理現象與規律，加強了作者對橋梁關鍵部位疲勞損傷過程中損傷特性的了解，建立了橋梁運營過程中發生的局部疲勞損傷程度與交通荷載循環量的定量描述，為橋梁結構疲勞損傷分析奠定了基礎，是對損傷力學理論的創新與發展。

前言

第1章緒論

第2章在役橋樑結構疲勞應力場監測
2.1大跨橋樑結構健康監測系統概述
2.2動態應變監測方法
2.3應變傳感器優化佈置方法
2.3.1應變傳感器優化佈置的原則
2.3.2主樑監測截面的確定
2.3.3監測截面上的測點選擇
2.3.4局部焊接細節處的熱點應力監測
2.4在役橋樑結構疲勞應力特徵
2.4.1應變響應監測信息的時間多尺度特徵及其物理意義
2.4.2不同類型索橋在相似荷載環境下的響應特徵

第3章基於監測信息的橋樑疲勞狀態分析方法和實施步驟
3.1基於監測信息的橋樑疲勞損傷分析方法
3.2基於監測信息的橋樑疲勞狀態評估實施流程與主要步驟
3.3分析與評估過程中的關鍵理論與方法

第4章在役橋樑高周疲勞損傷力學理論
4.1損傷力學概述.
4.2適合於在役橋樑分析的疲勞損傷律
4.3橋樑疲勞損傷律中參數的確定方法
4.4橋樑結構疲勞損傷律模型的驗證
4.5過載對疲勞損傷累積的影響
4.5.1基本方程與研究思路
4.5.2荷載相互作用的影響引起的疲勞壽命縮減
4.5.3過載的影響

第5章基於監測信息的橋樑結構疲勞狀態評估方法及其應用
5.1動態應變監測數據分析方法
5.1.1統計方法.
5.1.2多尺度分離和提取的小波方法
5.1.3簡便的分離方法——平均一插值_扣除（AIT）
5.2雨流計數法與疲勞應力譜
5.2.1雨流計數法原理概述
5.2.2疲勞應力（應變）譜
5.2.3從動態應變監測數據提取疲勞應力譜的實例
5.3正常運營環境下疲勞累積評估的有效應力幅方法
5.3.1基於應變能等效獲得的有效應力幅
5.3.2考慮疲勞損傷影響基於應變能的有效應力幅
5.3.3有效應力幅理論用於在役橋樑疲勞分析
5.4颱風等突發過載下的疲勞損傷累積量評估
5.4.1颱風“約克”及其監測信息.
5.4.2颱風導致的應力譜分析
5.4.3颱風引起的變幅應力循環的有效應力幅
5.4.4颱風引起的疲勞損傷累積增量

第6章以疲勞狀態評估為目標的橋樑結構多尺度有限元模擬及其應用實例
6.1建模策略與方法
6.1.1建模需要的策略分析
6.1.2多尺度建模問題的一般性物理描述和解決思路
6.1.3多尺度建模方法
6.1.4多尺度模型的銜接方式和銜接區域的處理
6.2模型修正和驗證方法
6.2.1模型修正的過程與目標
6.2.2多重子步模型修正方法
6.2.3多因素同時優化模型修正技術
6.2.4模型驗證方法
6.3青馬大橋結構多尺度模型的建立、修正和驗證
6.4潤揚大橋結構多尺度模型的建立、修正和驗證

第7章橋樑交通荷載的實測與模擬
7.1橋樑公路活載測量系統
7.2橋樑公路活載模型的建立和確認
7.2.1基於WIM數據建立荷載模型的統計方法
7.2.2基於WIM數據的統計參數
7.2.3香港橋樑活載標準卡車荷載模型
7.3橋樑上的鐵路荷載模擬

第8章在役橋樑結構疲勞累積過程數值分析方法及其應用實例
8.1關鍵疲勞構件識別
8.2關鍵疲勞構件焊接細節處的熱點應力分析
8.3關鍵疲勞構件焊接細節處的疲勞裂紋擴展過程分析

第9章在役橋樑結構疲勞壽命可靠性評估方法
9.1疲勞應力譜的統計分析與概率密度函數
9.1.1應力幅概率密度函數
9.1.2疲勞損傷相對增量的統計分析
9.2用於疲勞可靠性評估的分析模型
9.2.1疲勞累積損傷模型
9.2.2剩餘強度模型
9.2.3疲勞壽命模型
9.3關鍵構件的疲勞可靠性分析
9.3.1基於健康監測統計信息求解顯式的極限方程的疲勞可靠指標
9.3.2隱式極限方程的疲勞可靠指標的計算
9.4鋼箱梁系統的體系疲勞可靠性分析
9.4.1結構系統疲勞可靠性分析模型
9.4.2失效模式的功能函數
9.4.3系統綜合失效概率計算
9.4.4大跨橋樑鋼箱梁結構體系的失效模式搜尋

第10章在役橋樑結構疲勞狀態綜合評估方法及其應用實例
10.1確定橋樑結構關鍵疲勞構件的模糊綜合評估模型
10.1.1建立判斷矩陣
10.1.2計算權重向量和判斷矩陣的一致性
10.2綜合評估的主要因素及其歸一化指標確定方法
10.3應用實例
10.3.1確定評估集
10.3.2確定向量權重

參考文獻
附錄疲勞評估軟件中的主要程序代碼
F.1應變監測數據預處理程序（PPICK）
F.2雨流計數程序（RAIN）
F.3有效應力幅計算程序（EFFECT）
F.4疲勞損傷評估程序（FATIGUE）

第1章 緒論
過去幾十年中，在我國已建造了上百座大跨橋梁，20世紀90年代至今已經建成和正在建設中的主跨在400m以上的懸索橋和斜拉橋就有近30座。其中，有主跨1000m以上的懸索橋如香港的青馬大橋（主跨1377m）（圖1-1）、江蘇的江陰長江大橋（主跨1385m）和我國最大跨度的懸索橋潤揚長江大橋（主跨1490m）（圖1-2），還有主跨度1088m的斜拉橋蘇通長江大橋（圖1-3），以及世界最長的杭州灣跨海大橋等。這些橋梁都投資巨大，位于所在地區的交通中樞，有些還成為當地的標志性建筑，在經濟建設和國民生活中的地位十分重要。對此類重要的大型橋梁在其服役期內進行結構安全性、整體性、耐久性的監測，確保其安全正常運營已經成為一個隨之而來的重要課題。
圖1-1 青馬大橋
圖1-3 蘇通長江大橋
大部分大跨索橋的箱梁結構是鋼結構的。眾所周知，鋼橋梁結構細節附近的疲勞累積以及因此而發生的脆斷是橋梁破壞的主要根源。因此，在役大型橋梁在運營荷載作用下的疲勞累積狀態評估應該是此類結構安全性和耐久性監測的主要目標。此外，我國現有的大量鐵路橋梁也以鋼結構為主，有很多已經進入了其設計工作壽命的后期，有的已明顯存在隱患。在鐵路提速的大環境下，這些橋梁的安全性、疲勞壽命、極限荷載的評估都成為亟待解決的問題。而國際上一些發達國家在20世紀建造的橋梁有許多已開始進入服役中后期，已發現大量的安全隱患。
大跨橋梁結構具有體積大、跨度大、使用期限長等特點，在服役期間，氣候、環境等自然因素的作用和日益增加的交通量及重車、超重車過橋數量的不斷增加，都給橋梁結構帶來疲勞損傷的累積。另外，橋梁結構在建造過程中，無論是鋼箱梁中桁架的焊接，還是用于組成纜索的高強度鋼絲的制造，總是不可避免地存在某些細小結構缺陷。這些缺陷大多以焊縫或者微觀裂紋的形式出現。在我國，因為種種的人為和技術原因經常不能發現的初始缺陷在以現場施工為主的大型結構中尤為突出，也成為一個不可忽視的因素。此外，在結構服役過程中，超載和超限等“中國特色”因素的存在，也使得“人禍”成為和自然災害并列的造成結構失效的主要外因。在漫長的結構服役期內，由于環境的侵蝕、材料的老化及自然災害，交通荷載的反復疲勞作用，疲勞損傷的不斷積累使得危險性大大增加。橋梁結構整體抵抗自然災害，甚至正常服役荷載的能力逐漸下降，極端情況下會引發災難性事故。很多研究都表明，許多橋梁的破壞原因起源于局部構件的疲勞破壞，最終導致整體結構的災難性破壞。
在橋梁服役的壽命期中，總的卡車通過量可能超過106～107次以上。大部分情況下，每輛卡車的通過在橋梁結構中都會引起一個應力循環，有些情況（取決于橋梁結構構形）下可能會引起1-5～2個等量的應力循環。因此，考慮交通流量的相當增長和不確定性，大部分的橋梁在使用壽命中都會承受超過107～109的應力循環數。所有的卡車荷載在結構中產生的應力，無論是高于還是低于允許應力范圍，都會引起疲勞損傷并不斷累積，最終可能導致未來的失效。可見低應力高周循環的疲勞問題是橋梁的最主要問題之一。而疲勞損傷累積造成的失效通常在沒有明顯的征兆情況下發生，并可能最終導致結構關鍵部位的突然斷裂。這種疲勞失效的嚴重性表現在：①破壞廣泛，美國聯邦公路總署2006年的數據表明，美國24暢5％的超過6m的大橋都存在著“結構性缺陷”和“功能過時”；而據美國土木工程協會（ASCE）統計，80％～90％鋼結構的失效與結構中的疲勞損傷有關。②破壞力大，疲勞損傷累積導致的失效過程往往事先毫無征兆，表現為脆性斷裂，往往導致在役結構發生突然的毀滅性破壞，造成人員傷亡和經濟損失。據統計，在1982年，美國由于結構的疲勞破壞造成的損失多達1000億美元，占其當年國民生產總值的3％。例如，美國明尼蘇達州I35W高速公路上的鋼橋在2007年8月1日交通高峰時突然坍塌，造成數人死亡的悲劇。而早在2001年明尼蘇達大學土木系的一份報告就指出：“I35W大橋的縱梁已扭曲變形，還發現該橋桁架疲勞的證據；一旦桁架承受不了龐大車流，I35W大橋恐將坍塌。”令人遺憾的是，該報告并未引起相關人員的足夠重視，從而導致橋毀人亡的悲劇發生。
限于研究手段和測試技術，以往的橋梁結構疲勞分析只能局限于構件或細節表面已出現肉眼可見的疲勞裂紋，距離疲勞損傷的早期（裂紋萌生期）偵測和跟蹤分析尚有很大的差距。顯然，對于上述重要鋼橋結構，這樣的疲勞分析及其以無損檢測為主的手段已經遠遠落后于形勢的要求。新的形勢要求橋梁結構的疲勞分析要能綜合在線運營監測、動力測試和整橋結構數值模擬等各種現代技術手段的優勢，盡早地發現疲勞損傷和跟蹤其演化累積過程。在復雜結構的在線監測與診斷、數值模擬和結構識別技術方面，近20年來也有很大進步，尤其是在航天和汽車工業領域。但是，這些現代技術手段在大型土木結構中的綜合應用還不多見。土木結構在這方面的發展比較滯后的主要原因是難以進行整體結構的試驗和測試，因為土木結構大都體積巨大且不可移動，做結構試驗在技術和經費方面難度很大。這方面典型的比較可見于文獻所詳述的在美國LosAlamos國家實驗室進行的FORTE衛星項目和位于新墨西哥州RioGrande河上的I40橋梁更換項目。這兩個20世紀90年代后期進行的項目費用相當，都采用了有限元法作結構分析，I40橋梁項目的目的是研究橋梁結構識別和損傷識別技術，可算是過去五年中美國在橋梁結構識別研究領域的典型作品，但它僅作了靜載分析，動力分析采用了將地震和風荷載等效為靜荷載的方法。而FORTE衛星項目不僅作靜載分析，而且作了全面的動力分析，包括氣動紊流、濺落、火箭點火和脫落引起的沖擊等。由此比較可見土木的結構分析與其他工業結構的明顯差距。
近年來，結構健康監測系統在大型重要橋梁上的應用，為突破上述限制土木結構分析發展的“瓶頸”提供了極好的機遇。目前國內外已經有不少大跨橋梁上安裝了結構健康監測系統。丹麥在主跨1624m的GreatBeltEast懸索橋上較早安裝了較為完整的結構健康監測系統，它實現了實時監測、實時分析和數據網絡共享，并開始嘗試把極端記錄與正常記錄分開處理的技術以期減小數據存量。我國自20世紀90年代起也在一些大型重要橋梁上建立了不同規模的結構監測系統，如香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋、江陰長江大橋和潤揚長江大橋等。橋梁結構健康監測系統建立以后，可以對橋梁結構各部位實施連續的在線監測，產生大量的監測信息。結構健康監測系統提供了橋梁在線運營狀態下的結構真實響應，給橋梁結構的模型識別提供了可靠的實測根據，但目前有效利用這些監測信息進行分析、處理以識別結構的狀態或者損傷還很困難。
目前橋梁結構上設置的結構健康監測系統通過對結構重點部位內力與應力的監測，來考察結構主要構件上的應變隨外界荷載作用的變化歷程，為結構疲勞壽命評估提供依據。既然結構疲勞總是萌生于結構最不利局部的連接處，理論上對于含大量焊接細節的鋼箱梁主梁來說，必須布置足夠多的應變傳感器來實現對疲勞應力和疲勞狀態的監測。但是，由于經濟和施工條件等方面的制約，目前系統中的應變傳感器還只能布置在主梁結構中受力的關鍵截面以及這些關鍵截面上少數構件上，距離疲勞損傷萌生的連接細節處通常有相當的距離，應變計的數量也很少。因此，在役結構的疲勞監測與評估比結構整體響應和健康狀態的監測與評估更加困難，因為結構疲勞在發生疲勞裂紋擴展導致突然失效以前，是高度局部化的損傷現象，無法由結構整體響應的監測信息反演得到。由此可見，基于結構監測信息進行結構疲勞狀態或者潛在疲勞損傷累積程度的分析與識別，不僅僅依賴于結構健康監測系統的硬件設備，更在很大程度上依賴于結構模擬方法與技術的提高和損傷預后分析方法的最新研究結果。
順應現代科學技術的發展和形勢的要求，多年來我們綜合運用動態測試技術、復雜結構模擬計算和結構在線監測等方面的最新發展，探討在大型橋梁結構動力響應的有限元模擬過程中的關鍵技術問題，以實現對重要大型橋梁結構疲勞損傷的早期（裂紋萌生期）識別和疲勞損傷跟蹤分析。在學術上，通過結構動力響應模擬、損傷局部分析、疲勞早期識別及其跟蹤分析，可望綜合了解橋梁結構的疲勞失效行為及其路徑乃至結構的準確極限狀態，填補目前在這些重要性能了解方面的空白，為橋梁結構疲勞設計理論和管理維修提供基礎理論。在工程應用方面，結構疲勞損傷分析和早期識別方法的應用，可望為橋梁結構疲勞損傷的及早偵測和發現提供定向的（疲勞損傷關鍵構件部位）和定量的（疲勞損傷累積程度）參考。就新橋而言，可以為橋梁管理部門進行定期疲勞檢測提供一定程度的指引；就舊橋而言，進一步還可進行橋梁結構極限分析，為管理部門的決策（維修還是拆除）提供理論的和計算的依據。
本書的寫作目的旨在總結作者多年來在橋梁結構疲勞損傷理論、疲勞狀態監測與評估方法方面的研究成果，將作者在以下幾方面的研究結果系統地呈現給相關專業的讀者與工程界：目前在重要大型橋梁中已安裝的橋梁結構健康監測系統和疲勞應力場的監測方法，基于結構健康監測信息的橋梁疲勞狀態分析方法、實施策略以及在結構疲勞分析與評估過程中的關鍵理論與方法。這些關鍵理論與方法包括：鋼橋梁構件在服役荷載下的高周疲勞損傷力學理論，基于監測信息的橋梁疲勞狀態評估的確定性方法，以疲勞狀態評估為目標的大型橋梁結構多尺度有限元模擬，基于橋梁交通活載（weighinmotion，WIM）測量系統的活載模型的建立，在役橋梁結構的關鍵疲勞構件識別與疲勞累積過程仿真分析方法，在役橋梁結構疲勞壽命可靠性評估方法，以及在役橋梁結構基于監測、數值分析、人工檢測等多方面信息進行疲勞狀態的綜合評估的方法。同時，介紹這些理論和方法在青馬大橋、潤揚大橋等重大橋梁工程中的應用。
本書的出版可望使作者在橋梁結構疲勞損傷監測與評估領域的研究成果在學術界和工程界得到進一步的發展和應用，從而發揮其科學價值和社會經濟價值：基于連續損傷力學理論建立的橋梁構件在實測隨機變幅荷載下的疲勞損傷演化率的疲勞損傷演化模型符合橋梁結構中疲勞累積的物理現象與規律，加強了作者對橋梁關鍵部位疲勞損傷過程中損傷特性的了解，建立了橋梁運營過程中發生的局部疲勞損傷程度與交通荷載循環量的定量描述，為橋梁結構疲勞損傷分析奠定了基礎，是對損傷力學理論的創新與發展。基于橋梁結構健康監測系統的輸出信息和橋梁結構動力響應有限元模擬，綜合運用動態測試、結構參數識別、損傷局部分析及無損檢測等理論與技術，提出了大型鋼橋梁結構疲勞損傷早期識別方法。同時，所提出的基于健康監測信息進行疲勞分析的理論體系和隨之建立的疲勞評估方法和流程，使得有效利用結構健康監測系統輸出的“海量”信息進行橋梁運營過程中的疲勞評估成為可能。這些成果加強了作者對大型橋梁結構疲勞損傷累積過程和疲勞狀態評估的認識，為大型橋梁結構疲勞早期識別和評估提供了理論和技術依據。提出的基于運營荷載監測信息建立橋梁移動荷載模型的方法，解決了模擬橋梁活載的困難和進行橋梁結構疲勞損傷分析時輸入動態荷載的問題，使得橋梁結構損傷仿真計算分析成為可能。研究解決了大跨橋梁結構多尺度模擬和分析中的關鍵理論和技術問題；首次提出了針對大跨橋梁結構特性進行結構響應與損傷的多尺度模擬和計算分析的方法與策略并付諸實現。這包括：提出了面向結構損傷分析的多尺度建模策略、基于子結構技術或多點約束銜接的多尺度建模方法，提出了適用于復雜結構模型的多重子步模型修正方法，以及應用多尺度模型進行結構損傷分析的方法與策略，為大跨橋梁結構服役過程中損傷累積的仿真分析提供理論基礎和技術路徑。
第2章 在役橋梁結構疲勞應力場監測
傳統的橋梁結構隱患檢測主要是定期的人工檢測，其局限性比較多：需要大量的人力、物力，費用巨大，檢查周期長，缺少整體性，影響正常交通運行，而且檢查和評估的結果往往取決于檢查人員的專業知識水平、經驗以及現場檢測的條件，檢查結果往往具有主觀性，同時難以及時發現在檢查的間隔期內的損傷；而大跨橋梁結構構形復雜，很多結構部位是檢查員難以到達的。與人工檢測相輔的傳統的無損檢測技術（nondestructivetechnology，NDT）是可視化或者局部化的試驗方法，通常要求事先知道結構損傷發生的大致位置。由于這些限制，上述結構檢測方法都只能針對中小型橋梁，并且只能檢測結構表面的損傷，對于損傷位置未知的大型復雜結構，這類檢測則無法全面覆蓋。所以需要發展利用儀器和損傷識別技術進行結構響應與狀態的在線監測，能夠長期并且實時地識別結構狀態和潛在的損傷以改進人工檢查的不足，這種具有美好前景與優越功能的結構健康監測（structuralhealthmonitoring，SHM）系統也導致了結構健康監測技術與結構狀態評估理論的發展。
為了準確評估橋梁結構中的疲勞損傷狀態和結構的剩余疲勞壽命，首先需要保證用于橋梁構件疲勞評估的應力譜是精確的。以往獲取疲勞應力譜的一個途徑是建立在對橋梁上的標準車輛荷載的估計與交通荷載調查統計的基礎上，建立代表運營狀況的車輛交通荷載譜，從而實現荷載歷程的模擬和疲勞應力譜的計算。但是這種交通荷載的模擬實際上很難準確再現隨時間變化的在役橋梁實際承受的動態工作應力。隨著橋梁結構健康監測技術的發展，以往不得不建立在經驗以及統計基礎上的應力譜計算將可以被安裝在橋梁上的結構健康監測系統實時采集的應力時程所替代，由此得到的疲勞應力譜較按照規范或統計的車輛荷載計算得到的應力譜，更加真實和準確地再現了結構的工作狀態，在實現疲勞壽命的精確評估方面邁進了一大步，保證了疲勞壽命評估的準確性和可靠性。因而如何充分利用橋梁結構健康監測系統的實時監測數據，以獲取被監測橋梁結構的疲勞應力特征和疲勞累積狀態就成為在役橋梁結構疲勞評估的首要課題。