CN103940626B - 在役正交异性钢桥面板疲劳开裂后剩余使用寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在役正交异性钢桥面板疲劳开裂后剩余使用寿命评估方法，具体包括：（1）采用无损检测技术测得每条裂纹的实际长度a₀；（2）采用应变传感器对裂纹两侧的实际应变数据进行监测；（3）获得每条裂纹的应力历程数据；（4）根据雨流法和Miner累计准则计算每条裂纹的日平均等效应力幅Δσ_eq和日平均等效应力循环次数N_eq；（5）基于刚度、强度准则，并结合实际情况确定每条裂纹的允许极限长度a_c；（6）基于Paris公式计算每条裂纹的扩展寿命N_c和D_c；（7）取所有裂纹D_c的最小值作为钢桥面板的剩余疲劳寿命D_c,min。本发明理论可靠、逻辑清楚、检测手段、方法简单。

Description

在役正交异性钢桥面板疲劳开裂后剩余使用寿命评估方法

技术领域

本发明涉及桥梁健康监测技术领域，具体地，涉及一种在役正交异性钢桥面板疲劳开裂后剩余使用寿命评估方法。

背景技术

正交异性钢桥面板由于结构自重轻、整体效率高、跨越能力强、抗震性能好等优点，被广泛应用于大、中跨度桥梁结构中。但是，由于构造应力复杂、焊接缺陷难控制以及直接承受车辆动力作用等原因，正交异性钢桥面板也是钢桥结构中最容易发生疲劳破坏的部位。自1971年英国Severn桥最早发现钢桥面板构造细节的疲劳裂纹以来，德国、法国、日本、美国、荷兰等国相继出现了钢桥面板疲劳开裂的报道，我国虎门大桥、海沧大桥、江阴大桥等的正交异性钢桥面板也已经检测到了大量疲劳裂纹。这些裂纹具有许多共性，并且通常出现在纵肋与面板连接焊缝、纵肋与横隔板连接焊缝、横隔板与面板连接焊缝、纵肋对接焊缝等应力集中明显位置。

正交异性钢桥面板出现疲劳裂纹之后，毫无疑问其抗疲劳性能将受到较大影响，但也并不表示其完全丧失了结构功能。大量钢结构疲劳试验表明，在初始裂纹萌生之后，将出现一个比较稳定的疲劳裂纹三向扩展阶段，直至结构失效。换言之，钢结构的疲劳寿命是由裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命两部分组成的。因此，开裂初期的正交异性钢桥面板可能仍然具有可观的裂纹扩展寿命，这主要取决于这些疲劳裂纹的扩展特性（包括扩展方向和扩展速率）。但目前广泛用于正交异性钢桥面板疲劳设计或验算的S-N曲线法都是建立在结构不发生疲劳开裂（即裂纹形成寿命）的基础上，对开裂后的裂纹扩展寿命则进行了选择性忽略。也正因为此，当实际工程中的正交异性钢桥面板出现疲劳开裂问题之后，相关人员无法对其剩余的裂纹扩展寿命进行准确预测和评估，从而导致盲目采取开设止裂孔、裂纹填补修复、裂纹补强加固等措施，这不仅造成不必要的经济浪费，还有可能对结构带来二次损伤。但如果对一些关键位置或尺寸超限的裂纹不加处理，也可能给桥梁结构带来安全隐患或使用障碍。因此，需要建立一种正交异性钢桥面板疲劳开裂后的剩余使用寿命评估方法，一旦正交异性钢桥面板出现疲劳裂纹，即可采用该方法对其剩余使用寿命进行快速、准确评估，然后结合桥梁实际运营情况，以确定是否可以不修复继续使用或修复甚至完全更换之后再使用，并进一步对后续使用、检测、维护等技术方案做出科学决策，这对于确保桥梁在设计期限内正常运营具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种在役正交异性钢桥面板疲劳开裂后剩余使用寿命评估方法，该方法理论可靠、逻辑清楚、检测手段、计算方法简单，可以在桥梁正常运营环境下，对正交异性钢桥面板发生疲劳开裂后的剩余使用寿命进行评估，为桥梁管理人员的方案决策提供参考，确保桥梁处于可查、可控的安全运营状态。

为实现以上目的，本发明提供一种在役正交异性钢桥面板疲劳开裂后剩余使用寿命评估方法，该方法在裂纹尺寸检测和应变监测的基础上，采用线弹性断裂力学方法对正交异性钢桥面板疲劳开裂后的剩余使用寿命进行评估，包括以下步骤：

（1）采用无损检测技术测得每条裂纹的实际长度a₀；

（2）采用应变传感器对裂纹两侧的实际应变数据进行监测；

（3）获得每条裂纹的应力历程数据；

（4）根据雨流法和Miner累计准则计算每条裂纹的日平均等效应力幅Δσ_eq和日平均等效应力循环次数N_eq；

（5）基于刚度、强度准则，并结合实际情况确定每条裂纹的允许极限长度a_c；

（6）基于Paris公式计算每条裂纹的扩展寿命N_c和D_c；

（7）取所有裂纹D_c的最小值作为钢桥面板的剩余疲劳寿命D_c,min。

优选地，所述步骤（1）中，采用无损检测技术是采用超声波无损检测技术或断裂线组件自动监测装置，针对正交异性钢桥面板所有可能开裂部位进行检测，得到各条裂纹的实际长度a₀。

优选地，所述步骤（2）中，采用应变传感器对垂直于裂纹方向的应变数据进行实时监测，得到相应的应变历程数据。

更优选地，所述步骤（2）中，应变传感器均匀布置在已有裂纹两侧，当裂纹其中一侧紧邻焊缝时，则只布置在另外一侧。

更优选地，所述步骤（2）中，应变传感器沿裂纹长度方向布置的数量和间距可根据测量精度要求进行调整，但数量不少于3个，即应保证裂纹尖端和裂纹中部各有1个传感器。

优选地，所述步骤（2）中，监测天数不少于30天，且后期再次评估时应将两次评估之间的应变实测数据也纳入考虑范围。

优选地，所述步骤（3）中，对步骤（2）监测得到的每条裂纹侧边所有应变传感器数据进行平均，并将应变数据转换成应力数据，得到该条裂纹的应力历程。

优选地，所述步骤（4）中，对步骤（3）得到的裂纹应力历程数据，采用雨流计数法和Miner累计准则，并以天为单位，计算得到该条裂纹在第i天承受的日等效应力幅Δσ_i和日等效应力循环次数N_i，并进一步对所有监测天数的σ_i和N_i实测数据进行平均，得到日平均等效应力幅和日平均应力循环次数n为天数。

优选地，所述步骤（5）中，根据裂纹长度对构造细节刚度和强度的影响规律，并结合实际情况，确定该条裂纹所允许的极限长度a_c。

优选地，所述步骤（6）中，基于Paris公式计算该条裂纹的扩展寿命N_c：

当裂纹仅一端扩展时，

$N_c=\frac{1}{C}\·\frac{2}{m-2}\·\frac{a_c}{{\left({\mathrm{\Δ\σ}}_{\mathrm{eq}}\sqrt{1.122{\mathrm{\πa}}_c}\right)}^m}\·[{\left(\frac{a_c}{a_0}\right)}^{\frac{m}{2}-1}-1]$

当裂纹两端同时扩展时，

$N_c=\frac{1}{C}\·\frac{2}{m-2}\·\frac{a_c}{{\left({\mathrm{\Δ\σ}}_{\mathrm{eq}}\sqrt{{\mathrm{\πa}}_c}\right)}^m}\·[{\left(\frac{a_c}{a_0}\right)}^{\frac{m}{2}-1}-1]$

其中：m=3，C=2.18×10^-13(MPa^-3·mm^-0.5)；π为圆周率。

进一步换算得到该条裂纹控制的钢桥面板剩余使用天数D_c：

$D_c=\frac{N_c}{N_{\mathrm{eq}}}.$

优选地，所述步骤（7）中，对每条裂纹重复以上步骤（4）～（6），并取所有裂纹的最小值作为正交异性钢桥面板的剩余使用寿命D_c,min=min(D_c)。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明评估结果可靠、逻辑清楚、检测手段、方法简单，可以在桥梁正常运营环境下，对正交异性钢桥面板发生疲劳开裂后的剩余使用寿命进行评估，为桥梁管理人员的方案决策提供参考，确保桥梁处于可查、可控的安全运营状态。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的总体流程图；

图2为本发明的应变传感器在典型横隔板裂纹两侧的布置示意图；

图3为本发明的应变传感器在典型纵肋裂纹两侧的布置示意图；

图4为本发明的应变传感器在典型面板（盖板）裂纹一侧的布置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供一种在役正交异性钢桥面板疲劳开裂后剩余使用寿命评估方法，该方法在裂纹尺寸检测和应变监测的基础上，采用线弹性断裂力学方法对正交异性钢桥面板疲劳开裂后的剩余使用寿命进行评估，具体包括以下实施步骤：

步骤（1）：采用超声波无损检测技术或断裂线组件自动监测装置对正交异性钢桥面板的已开裂部位进行裂纹检测，得到各条裂纹的实际长度，记其中某条裂纹长度为a₀；

步骤（2）：在裂纹两侧（或一侧）安装应变传感器，对垂直于裂纹方向的应变数据进行实时监测，常见裂纹即相应传感器布置见附图2、3、4。

步骤（3）：对同一条裂纹侧边的所有应变传感器数据进行平均，得到各条裂纹的应力历程数据；

步骤（4）：针对步骤（1）中选定的某条裂纹，以天为单位，采用雨流法和Miner累计准则计算得到该条裂纹在第i天承受的日等效应力幅Δσ_i和日等效应力循环次数N_i，并对所有监测天数的σ_i和N_i实测数据进行平均，得到日平均等效应力幅和日平均应力循环次数

步骤（5）：根据裂纹长度对构造细节刚度和强度的影响规律，并结合实际情况，确定该条裂纹所允许的极限长度a_c；

步骤（6）：基于Paris公式计算该条裂纹的扩展寿命N_c：

当裂纹仅一端扩展时， $N_c=\frac{1}{C}\·\frac{2}{m-2}\·\frac{a_c}{{\left({\mathrm{\Δ\σ}}_{\mathrm{eq}}\sqrt{1.122{\mathrm{\πa}}_c}\right)}^m}\·[{\left(\frac{a_c}{a_0}\right)}^{\frac{m}{2}-1}-1]$

当裂纹两端同时扩展时， $N_c=\frac{1}{C}\·\frac{2}{m-2}\·\frac{a_c}{{\left({\mathrm{\Δ\σ}}_{\mathrm{eq}}\sqrt{{\mathrm{\πa}}_c}\right)}^m}\·[{\left(\frac{a_c}{a_0}\right)}^{\frac{m}{2}-1}-1]$

其中，m=3，C=2.18×10^-13(MPa^-3·mm^-0.5)。

进一步换算得到由该条裂纹所控制的钢桥面板剩余使用天数D_c：

$D_c=\frac{N_c}{N_{\mathrm{eq}}};$

步骤（7）：对每条裂纹重复以上步骤（4）～（6），取所有裂纹D_c的最小值作为正交异性钢桥面板的剩余使用寿命：

D_c,min=min(D_c)。

本实施例步骤（2）中，应变传感器均匀布置在已有裂纹两侧，当裂纹其中一侧紧邻焊缝时，则只布置在另外一侧。

本实施例步骤（2）中，应变传感器沿裂纹长度方向布置的数量和间距可根据测量精度要求进行调整，但数量不少于3个，即应保证裂纹尖端和裂纹中部各有1个传感器。

本实施例步骤（2）中，监测天数不少于30天，且后期再次评估时应将两次评估之间的应变实测数据也纳入考虑范围。

本实施例步骤（3）中，对步骤（2）监测得到的同一条裂纹侧边的所有应变传感器数据进行平均，并将应变数据转换成应力数据，得到各条裂纹的应力历程数据。

采用本实施例所述的评估方法对正交异性钢桥面板剩余使用寿命进行快速、准确评估，然后结合桥梁实际运营情况，以确定是否可以不修复继续使用或修复甚至完全更换之后再使用，并进一步对后续使用、检测、维护等技术方案做出科学决策，以确保桥梁处于可查、可控的安全运营状态。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种在役正交异性钢桥面板疲劳开裂后剩余使用寿命评估方法，其特征在于，该方法在裂纹尺寸检测和应变监测的基础上，采用线弹性断裂力学方法对正交异性钢桥面板疲劳开裂后的剩余使用寿命进行评估，包括以下步骤：

(1)采用无损检测技术测得每条裂纹的实际长度a₀；

(2)采用应变传感器对裂纹两侧的实际应变数据进行监测；

(3)获得每条裂纹的应力历程数据；

(4)根据雨流法和Miner累计准则计算每条裂纹的日平均等效应力幅Δσ_eq和日平均等效应力循环次数N_eq；

(5)基于刚度、强度准则，并结合实际情况确定每条裂纹的允许极限长度a_c；

(6)基于Paris公式计算每条裂纹的扩展寿命N_c以及该条裂纹控制的钢桥面板剩余使用天数D_c；

(7)取所有裂纹D_c的最小值作为钢桥面板的剩余使用寿命D_c,min。

2.根据权利要求1所述的一种在役正交异性钢桥面板疲劳开裂后剩余使用寿命评估方法，其特征在于，所述步骤(1)中，采用无损检测技术是采用超声波无损检测技术或断裂线组件自动监测装置，针对正交异性钢桥面板所有可能开裂部位进行检测，得到各条裂纹的实际长度a₀。

3.根据权利要求1所述的一种在役正交异性钢桥面板疲劳开裂后剩余使用寿命评估方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用应变传感器对垂直于裂纹方向的应变数据进行实时监测，得到相应的应变历程数据，应变传感器均匀布置在已有裂纹两侧，当裂纹其中一侧紧邻焊缝时，则只布置在另外一侧。

4.根据权利要求3所述的一种在役正交异性钢桥面板疲劳开裂后剩余使用寿命评估方法，其特征在于，所述步骤(2)中，应变传感器沿裂纹长度方向布置的数量和间距可根据测量精度要求进行调整，但数量不少于3个，即应保证裂纹尖端和裂纹中部各有1个传感器。

5.根据权利要求3所述的一种在役正交异性钢桥面板疲劳开裂后剩余使用寿命评估方法，其特征在于，所述步骤(2)中，监测天数不少于30天，且后期再次评估时应将两次评估之间的应变实测数据也纳入考虑范围。

6.根据权利要求1所述的一种在役正交异性钢桥面板疲劳开裂后剩余使用寿命评估方法，其特征在于，所述步骤(3)中，对步骤(2)监测得到的每条裂纹侧边所有应变传感器数据进行平均，并将应变数据转换成应力数据，得到该条裂纹的应力历程。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种在役正交异性钢桥面板疲劳开裂后剩余使用寿命评估方法，其特征在于，所述步骤(4)中，对步骤(3)得到的裂纹应力历程数据，采用雨流计数法和Miner累计准则，并以天为单位，计算得到该条裂纹在第i天承受的日等效应力幅Δσ_i和日等效应力循环次数N_i，并进一步对所有监测天数的σ_i和N_i实测数据进行平均，得到日平均等效应力幅和日平均应力循环次数 $N_{eq}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{N}_i}{n}.$

8.根据权利要求1-6任一项所述的一种在役正交异性钢桥面板疲劳开裂后剩余使用寿命评估方法，其特征在于，所述步骤(5)中，根据裂纹长度对构造细节刚度和强度的影响规律，并结合实际情况，确定该条裂纹所允许的极限长度a_c。

9.根据权利要求1-6任一项所述的一种在役正交异性钢桥面板疲劳开裂后剩余使用寿命评估方法，其特征在于，所述步骤(6)中，基于Paris公式计算该条裂纹的扩展寿命N_c：

当裂纹仅一端扩展时

$N_c=\frac{1}{C}\·\frac{2}{m-2}\·\frac{a_c}{{\left({\mathrm{\Δ\σ}}_{eq}\sqrt{1.122{\mathrm{\πa}}_c}\right)}^m}\·\[{\left(\frac{a_c}{a_0}\right)}^{\frac{m}{2}-1}-1\]$

当裂纹两端同时扩展时

$N_c=\frac{1}{C}\·\frac{2}{m-2}\·\frac{a_c}{{\left({\mathrm{\Δ\σ}}_{eq}\sqrt{{\mathrm{\πa}}_c}\right)}^m}\·\[{\left(\frac{a_c}{a_0}\right)}^{\frac{m}{2}-1}-1\]$

其中：m＝3；C＝2.18×10^-13(MPa^-3·mm^-0.5)；

进一步换算得到该条裂纹控制的钢桥面板剩余使用天数D_c：

$D_c=\frac{N_c}{N_{eq}}.$

10.根据权利要求1-6任一项所述的一种在役正交异性钢桥面板疲劳开裂后剩余使用寿命评估方法，其特征在于，所述步骤(7)中，对每条裂纹重复以上步骤(4)～(6)，并取所有裂纹的最小值作为正交异性钢桥面板的剩余使用寿命D_c,min＝min(D_c)。