CN105699220A - 一种正交异性钢桥面板疲劳寿命的计算方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种正交异性钢桥面板疲劳寿命的计算方法，包括：采集名义应变监测数据；计算得到名义应力样本S；试验得到应力集中系数SCF；计算腐蚀作用下有效名义应力幅SE_eq,i和有效热点应力幅SEH_eq,i；计算腐蚀作用下的疲劳抗力C(t)；计算疲劳损伤D(t)；计算疲劳寿命T。本申请实施例提供的一种正交异性钢桥面板疲劳寿命的计算方法，能够准确计算出腐蚀和车载作用下的正交异性钢桥面板疲劳寿命。

Description

一种正交异性钢桥面板疲劳寿命的计算方法

技术领域

本申请涉及疲劳寿命计算方法，特别涉及一种正交异性钢桥面板疲劳寿命的计算方法。

背景技术

作为直接支承列车和汽车荷载的重要结构，钢桥面板结构的完整性是行车安全性的重要保证。已有研究发现，部分公路桥梁的正交异性钢桥面板在汽车等往复交变荷载下出现了较为严重的疲劳开裂现象。一旦发生疲劳开裂，钢桥面板的支承刚度将出现退化，影响行车结构的平顺性，危及铁路和公路的行车安全。因此，开展基于监测数据的疲劳寿命评估对于正交异性钢桥面板乃至整体桥梁结构的结构安全具有重要意义。

正交异性钢桥面板疲劳评估方法主要分为两种：1)根据雨流计数法法计算得到焊缝的名义应力幅和应力循环次数，依据规范或试验得到的S-N曲线得到疲劳寿命；根据S-N曲线获取方法的差异，分为名义应力法和热点应力法，主要用于疲劳裂纹萌生寿命评估；2)根据线弹性断裂力学方法建立裂纹扩展模型，依据经典Paris模型分析裂纹开展到板厚深度的疲劳寿命，主要用于疲劳裂纹扩展寿命评估。然而，上述方法仅考虑了车载、应力分布等参数对于疲劳寿命的影响，尚未考虑环境腐蚀对疲劳寿命衰减的影响，对于准确评估正交异性钢桥面板的疲劳寿命存在一定的不足。因此，对于正交异性钢桥面板的疲劳寿命评估，有必要研究出一种能够准确考虑环境腐蚀和应力集中效应影响的评估方法。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种正交异性钢桥面板疲劳寿命的计算方法，以准确计算出腐蚀和车载作用下的正交异性钢桥面板疲劳寿命。

本申请实施例提供的一种正交异性钢桥面板疲劳寿命的计算方法，包括：

S1：在预设焊接细节处采集名义应变检测数据并将所述名义应变检测数据转换为名义应变样本；

S2：基于所述名义应变样本，计算单位时间内的名义等效应力幅和总应力循环次数；

S3：获取所述焊接细节的热点应力点对应的热点应变以及名义应力点对应的名义应变，并基于所述热点应变和所述名义应变计算所述焊接细节对应的应力集中系数；

S4：计算在腐蚀作用下钢材对应的有效名义应力幅和疲劳抗力；

S5：根据所述有效名义应力幅和所述应力集中系数，计算腐蚀作用下钢材对应的有效热点应力幅；

S6：基于所述有效热点应力幅、所述疲劳抗力以及所述总应力循环次数，计算所述焊接细节对应的疲劳损伤；

S7：基于所述疲劳损伤，计算所述焊接细节对应的疲劳寿命。

进一步地，所述基于所述名义应变样本，计算单位时间内的名义等效应力幅和总应力循环次数具体包括：

S21：根据所述名义应变样本，按照下述公式计算得到名义应力样本S：

S＝E·ST(1)

其中，ST为所述名义应变样本，E为弹性模量；

S22：以一天为单位，对所述名义应力样本S进行分解，得到每天的名义应力样本Si；

S23：采取雨流计数法对所述每天的名义应力样本Si进行处理，得到每天的名义应力幅SA_i和对应的应力循环次数n_i；

S24：按照下述公式计算单位时间内的名义等效应力幅SAeq,i和总应力循环次数Ni：

${\mathrm{SA}}_{eq,i}={\left(\frac{S_i^5{n}_i}{{\mathrm{\Σn}}_i}\right)}^{1/5}---\left(2\right)$

N_i＝∑n_i(3)

进一步地，按照下述公式计算所述焊接细节对应的应力集中系数：

$SCF=\frac{SH}{SN}---\left(4\right)$

其中，SH为所述热点应变，SN为所述名义应变。

进一步地，所述计算在腐蚀作用下钢材对应的有效名义应力幅和疲劳抗力具体包括：

S41：按照下述公式计算钢材在腐蚀潮湿环境下的锈蚀深度：

δ(t)＝bt^r(5)

其中，δ(t)为钢材腐蚀深度函数，t为结构服役年限，b和r为材料参数；

S42：按照下述公式计算构件截面抵抗距损失率η(t)：

$\mathrm{\η}\left(t\right)=\frac{W-\stackrel{\‾}{W}\left(t\right)}{W}=\frac{2\mathrm{\δ}\left(t\right)}{B}-\frac{{\mathrm{\δ}}^2\left(t\right)}{B^2}---\left(6\right)$

其中，W为构件初始横截面面积，为构件有效截面积函数，B为构件厚度；

S43：建立有效应力幅SE_eq,i演化公式：

$E\·\mathrm{\ϵ}\·W=E\·\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}\left(t\right)\·W\left(t\right)---\left(7\right)$

其中，E为钢材的弹性模量，ε和分别为名义应变函数和有效应变函数；

S44：将公式(6)带入公式(7)，得到：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}\left(t\right)=\frac{1}{1-\frac{2\mathrm{\δ}\left(t\right)}{B}+\frac{{\mathrm{\δ}}^2\left(t\right)}{B^2}}\·\mathrm{\ϵ}---\left(8\right)$

S45：根据公式(8)计算腐蚀作用下钢材对应的有效名义应力幅SE_eq,i：

${\mathrm{SE}}_{eq,i}=\frac{1}{1-\frac{2\mathrm{\δ}\left(t\right)}{B}+\frac{{\mathrm{\δ}}^2\left(t\right)}{B^2}}\·{\mathrm{SA}}_{eq,i}---\left(9\right)$

S46：按照下述公式计算腐蚀作用下钢材对应的疲劳抗力C(t)：

其中，α为焊接节点疲劳性能退化参数，C₀为疲劳抗力系数。

进一步地，按照下述公式计算腐蚀作用下钢材对应的有效热点应力幅：

SEH_eq,i＝SE_eq,i·SCF(10)

其中，SEH_eq,i为腐蚀作用下钢材对应的有效热点应力幅，SE_eq,i为所述有效名义应力幅，SCF为所述应力集中系数。

进一步地，按照下述公式计算所述焊接细节对应的疲劳损伤：

$D\left(t\right)=\mathrm{\Σ}\frac{N_i\·{\mathrm{SEH}}_{eq,i}}{C\left(t\right)}---\left(12\right)$

其中，D(t)为所述焊接细节对应的疲劳损伤，N_i为所述总应力循环次数，SEH_eq,i为所述有效热点应力幅，C(t)为所述疲劳抗力。

进一步地，按照下述公式计算所述焊接细节对应的疲劳寿命：

T＝D^-1(D(t)＝1.0)(13)

其中，T为所述焊接细节对应的疲劳寿命，D(t)为所述焊接细节对应的疲劳损伤。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本申请实施方式提供的一种正交异性钢桥面板疲劳寿命的方法流程图；

图2为本发明实施例中单次列车下应变数据曲线图；

图3为本发明实施例中应力幅谱图；

图4为本发明实施例中名义等效应力幅图；

图5为本发明实施例中总应力循环次数N_i图；

图6为本发明实施例中腐蚀作用下的有效热点应力幅时变曲线图。

图7为本发明实施例中腐蚀作用下的疲劳抗力时变曲线图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本申请保护的范围。

请参阅图1至图7，本发明提供的一种正交异性钢桥面板疲劳寿命的计算方法，包括：

S1：在预设焊接细节处采集名义应变检测数据并将所述名义应变检测数据转换为名义应变样本；

S2：基于所述名义应变样本，计算单位时间内的名义等效应力幅和总应力循环次数；

S3：获取所述焊接细节的热点应力点对应的热点应变以及名义应力点对应的名义应变，并基于所述热点应变和所述名义应变计算所述焊接细节对应的应力集中系数；

S4：计算在腐蚀作用下钢材对应的有效名义应力幅和疲劳抗力；

S5：根据所述有效名义应力幅和所述应力集中系数，计算腐蚀作用下钢材对应的有效热点应力幅；

S6：基于所述有效热点应力幅、所述疲劳抗力以及所述总应力循环次数，计算所述焊接细节对应的疲劳损伤；

S7：基于所述疲劳损伤，计算所述焊接细节对应的疲劳寿命。

在本实施方式中，在步骤S1中，可以将应变传感器安装在需要监测的焊接细节附近，并将其配接到应变采集系统中，然后利用应变传感器对焊接细节附近的应变进行名义应变检测数据的采集，应变传感器将获取的名义应变检测数据传递到应变采集系统中，从而可以将名义应变检测数据转换为名义应变样本ST，名义应变样本包含不同时刻对应的名义应变值。

在本市实施方式中，步骤S2中所述基于所述名义应变样本，计算单位时间内的名义等效应力幅和总应力循环次数具体可以包括以下几个步骤。

S21：根据所述名义应变样本，按照下述公式计算得到名义应力样本S：

S＝E·ST(1)

其中，ST为所述名义应变样本，E为弹性模量；

S22：以一天为单位，对所述名义应力样本S进行分解，得到每天的名义应力样本Si；

S23：采取雨流计数法对所述每天的名义应力样本Si进行处理，得到每天的名义应力幅SAi和对应的应力循环次数ni；

S24：按照下述公式计算单位时间内的名义等效应力幅SAeq,i和总应力循环次数Ni：

${\mathrm{SA}}_{eq,i}={\left(\frac{S_i^5{n}_i}{{\mathrm{\Σn}}_i}\right)}^{1/5}---\left(2\right)$

N_i＝∑n_i(3)

在本实施方式中，可以按照下述公式计算所述焊接细节对应的应力集中系数：

$SCF=\frac{SH}{SN}---\left(4\right)$

其中，SH为所述热点应变，SN为所述名义应变。

在本实施方式中，步骤S4中所述的计算在腐蚀作用下钢材对应的有效名义应力幅和疲劳抗力具体可以包括以下几个步骤。

S41：按照下述公式计算钢材在腐蚀潮湿环境下的锈蚀深度：

δ(t)＝bt^r(5)

其中，δ(t)为钢材腐蚀深度函数，t为结构服役年限，b和r为材料参数；

S42：按照下述公式计算构件截面抵抗距损失率η(t)：

$\mathrm{\η}\left(t\right)=\frac{W-\stackrel{\‾}{W}\left(t\right)}{W}=\frac{2\mathrm{\δ}\left(t\right)}{B}-\frac{{\mathrm{\δ}}^2\left(t\right)}{B^2}---\left(6\right)$

其中，W为构件初始横截面面积，为构件有效截面积函数，B为构件厚度；

S43：建立有效应力幅SE_eq,i演化公式：

$E\·\mathrm{\ϵ}\·W=E\·\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}\left(t\right)\·W\left(t\right)---\left(7\right)$

其中，E为钢材的弹性模量，ε和分别为名义应变函数和有效应变函数；

S44：将公式(6)带入公式(7)，得到：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}\left(t\right)=\frac{1}{1-\frac{2\mathrm{\δ}\left(t\right)}{B}+\frac{{\mathrm{\δ}}^2\left(t\right)}{B^2}}\·\mathrm{\ϵ}---\left(8\right)$

S45：根据公式(8)计算腐蚀作用下钢材对应的有效名义应力幅SE_eq,i：

${\mathrm{SE}}_{eq,i}=\frac{1}{1-\frac{2\mathrm{\δ}\left(t\right)}{B}+\frac{{\mathrm{\δ}}^2\left(t\right)}{B^2}}\·{\mathrm{SA}}_{eq,i}---\left(9\right)$

S46：按照下述公式计算腐蚀作用下钢材对应的疲劳抗力C(t)：

其中，α为焊接节点疲劳性能退化参数，C₀为疲劳抗力系数。

在本实施方式中，可以按照下述公式计算腐蚀作用下钢材对应的有效热点应力幅：

SEH_eq,i＝SE_eq,i·SCF(10)

其中，SEH_eq,i为腐蚀作用下钢材对应的有效热点应力幅，SE_eq,i为所述有效名义应力幅，SCF为所述应力集中系数。

在本实施方式中，可以按照下述公式计算所述焊接细节对应的疲劳损伤：

$D\left(t\right)=\mathrm{\Σ}\frac{N_i\·{\mathrm{SEH}}_{eq,i}}{C\left(t\right)}---\left(12\right)$

其中，D(t)为所述焊接细节对应的疲劳损伤，N_i为所述总应力循环次数，SEH_eq,i为所述有效热点应力幅，C(t)为所述疲劳抗力。

在本实施方式中，可以按照下述公式计算所述焊接细节对应的疲劳寿命：

T＝D^-1(D(t)＝1.0)(13)

其中，T为所述焊接细节对应的疲劳寿命，D(t)为所述焊接细节对应的疲劳损伤。

在本申请一具体应用场景中，以大胜关高速铁路大桥钢桥面板的疲劳寿命评估为例，说明本发明的具体实施过程：

1)在本实施方式中，可以利用应变传感器对南京大胜关长江大桥中测点的应变进行为期7个月的数据采集(采集频率为每秒50次)，并将获取的应变数据传递到应变采集系统中，形成名义应变样本ST，单次列车下应变数据曲线如图2所示。

2)利用式(2)将应变数据转变为应力数据后，分别得到每天的名义应力样本Si，采取雨流计数法计算得到名义应力幅SAi和对应的应力循环次数ni，其应力幅谱如图3所示；利用公式(2)和(3)计算得到名义等效应力幅SAeq,i和总应力循环次数Ni，结果如图4和5所示。

3)开展顶板-纵肋细节的静载试验，通过在焊缝的热点应力点(距离焊趾0.5t，其中t为板材厚度)和名义应力点(远离焊缝50mm以上)安装应变传感器，分别采集静载试验加载过程中的名义应变ST和热点应变SH。利用式(3)得到该焊接细节的应力集中系数SCF；再利用式(9)和(10)得到计算腐蚀作用下的有效热点应力幅SEH_eq,i，其时变曲线如图6所示。

4)开展钢材不同腐蚀程度的疲劳性能试验试验，得到焊接节点疲劳性能退化参数α，利用式(11)计算得到疲劳抗力C(t)，其时变曲线如图7所示。

5)利用式(12)和式(13)分别得到疲劳损伤时间函数以及疲劳累计损伤达到1.0时的时间点。计算表明，当大胜关大桥在其服役年限内的车辆轴重不变的条件下，无论是否考虑环境腐蚀因素的影响，钢桥面板顶板-纵肋焊接细节的疲劳寿命均为无限的；当增长速度为5％左右时，顶板-纵肋焊接细节的疲劳寿命为77年，即该焊接细节将在设计使用年限内发生疲劳破坏。因此，当未来列车设计车辆轴重增加时，应对钢桥面板的疲劳性能重新验算和复核。

由上可见，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)采用该方法能够评估环境腐蚀和应力集中对于疲劳寿命的影响。式(3)中的待定参数b、r和α分别为材料参数，需要开展腐蚀和疲劳试验进行确定，保证了疲劳寿命评估的准确性。

(2)本评估方法简捷方便，实施起来具有很好的可操作性，主要表现在方法所包含的各个公式均为显性表达公式，不需要进行复杂的数学运算，实施起来更加简捷方便，可得到广泛推广与应用。

上面对本申请的各种实施方式的描述以描述的目的提供给本领域技术人员。其不旨在是穷举的、或者不旨在将本发明限制于单个公开的实施方式。如上所述，本申请的各种替代和变化对于上述技术所属领域技术人员而言将是显而易见的。因此，虽然已经具体讨论了一些另选的实施方式，但是其它实施方式将是显而易见的，或者本领域技术人员相对容易得出。本申请旨在包括在此已经讨论过的本发明的所有替代、修改、和变化，以及落在上述申请的精神和范围内的其它实施方式。

Claims (7)

1.一种正交异性钢桥面板疲劳寿命的计算方法，其特征在于，包括：

S1：在预设焊接细节处采集名义应变检测数据并将所述名义应变检测数据转换为名义应变样本；

S2：基于所述名义应变样本，计算单位时间内的名义等效应力幅和总应力循环次数；

S3：获取所述焊接细节的热点应力点对应的热点应变以及名义应力点对应的名义应变，并基于所述热点应变和所述名义应变计算所述焊接细节对应的应力集中系数；

S4：计算在腐蚀作用下钢材对应的有效名义应力幅和疲劳抗力；

S5：根据所述有效名义应力幅和所述应力集中系数，计算腐蚀作用下钢材对应的有效热点应力幅；

S6：基于所述有效热点应力幅、所述疲劳抗力以及所述总应力循环次数，计算所述焊接细节对应的疲劳损伤；

S7：基于所述疲劳损伤，计算所述焊接细节对应的疲劳寿命。

2.根据权利要求1所述的正交异性钢桥面板疲劳寿命的计算方法，其特征在于，所述基于所述名义应变样本，计算单位时间内的名义等效应力幅和总应力循环次数具体包括：

S21：根据所述名义应变样本，按照下述公式计算得到名义应力样本S：

S＝E·ST(1)

其中，ST为所述名义应变样本，E为弹性模量；

S22：以一天为单位，对所述名义应力样本S进行分解，得到每天的名义应力样本Si；

S23：采取雨流计数法对所述每天的名义应力样本Si进行处理，得到每天的名义应力幅SAi和对应的应力循环次数ni；

S24：按照下述公式计算单位时间内的名义等效应力幅SAeq,i和总应力循环次数Ni：

${\mathrm{SA}}_{eq,i}={\left(\frac{S_i^5{n}_i}{{\mathrm{\Σn}}_i}\right)}^{1/5}---\left(2\right)$

N_i＝∑n_i(3)

3.根据权利要求2所述的正交异性钢桥面板疲劳寿命的计算方法，其特征在于，按照下述公式计算所述焊接细节对应的应力集中系数：

$SCF=\frac{SH}{SN}---\left(4\right)$

其中，SH为所述热点应变，SN为所述名义应变。

4.根据权利要求3所述的正交异性钢桥面板疲劳寿命的计算方法，其特征在于，所述计算在腐蚀作用下钢材对应的有效名义应力幅和疲劳抗力具体包括：

S41：按照下述公式计算钢材在腐蚀潮湿环境下的锈蚀深度：

δ(t)＝bt^r(5)

其中，δ(t)为钢材腐蚀深度函数，t为结构服役年限，b和r为材料参数；

S42：按照下述公式计算构件截面抵抗距损失率η(t)：

$\mathrm{\η}\left(t\right)=\frac{W-\stackrel{\‾}{W}\left(t\right)}{W}=\frac{2\mathrm{\δ}\left(t\right)}{B}-\frac{{\mathrm{\δ}}^2\left(t\right)}{B^2}---\left(6\right)$

其中，W为构件初始横截面面积，为构件有效截面积函数，B为构件厚度；

S43：建立有效应力幅SE_eq,i演化公式：

$E\·\mathrm{\ϵ}\·W=E\·\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}\left(t\right)\·W\left(t\right)---\left(7\right)$

其中，E为钢材的弹性模量，ε和分别为名义应变函数和有效应变函数；

S44：将公式(6)带入公式(7)，得到：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}\left(t\right)=\frac{1}{1-\frac{2\mathrm{\δ}\left(t\right)}{B}+\frac{{\mathrm{\δ}}^2\left(t\right)}{B^2}}\·\mathrm{\ϵ}---\left(8\right)$

S45：根据公式(8)计算腐蚀作用下钢材对应的有效名义应力幅SE_eq,i：

${\mathrm{SE}}_{eq,i}=\frac{1}{1-\frac{2\mathrm{\δ}\left(t\right)}{B}+\frac{{\mathrm{\δ}}^2\left(t\right)}{B^2}}\·{\mathrm{SA}}_{eq,i}---\left(9\right)$

S46：按照下述公式计算腐蚀作用下钢材对应的疲劳抗力C(t)：

其中，α为焊接节点疲劳性能退化参数，C₀为疲劳抗力系数。

5.根据权利要求4所述的正交异性钢桥面板疲劳寿命的计算方法，其特征在于，按照下述公式计算腐蚀作用下钢材对应的有效热点应力幅：

SEH_eq,i＝SE_eq,i·SCF(10)

其中，SEH_eq,i为腐蚀作用下钢材对应的有效热点应力幅，SE_eq,i为所述有效名义应力幅，SCF为所述应力集中系数。

6.根据权利要求5所述的正交异性钢桥面板疲劳寿命的计算方法，其特征在于，按照下述公式计算所述焊接细节对应的疲劳损伤：

$D\left(t\right)=\mathrm{\Σ}\frac{N_i\·{\mathrm{SEH}}_{eq,i}}{C\left(t\right)}---\left(12\right)$

其中，D(t)为所述焊接细节对应的疲劳损伤，N_i为所述总应力循环次数，SEH_eq,i为所述有效热点应力幅，C(t)为所述疲劳抗力。

7.根据权利要求6所述的正交异性钢桥面板疲劳寿命的计算方法，其特征在于，按照下述公式计算所述焊接细节对应的疲劳寿命：

T＝D^-1(D(t)＝1.0)(13)

其中，T为所述焊接细节对应的疲劳寿命，D(t)为所述焊接细节对应的疲劳损伤。