CN107025374A - 一种焊接钢桥结构的疲劳寿命计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊接钢桥结构的疲劳寿命计算方法，包括：建立考虑平均应力修正的钢材疲劳抗力的全空间S‑N曲线模型；考虑焊接残余应力与车辆荷载应力的耦合效应，计算钢桥焊接细节的真实应力时程；利用雨流计数法对所述真实应力时程进行处理，并基于处理结果计算应力幅、平均应力和单次通车下的应力循环次数；利用建立的所述考虑平均应力修正的全空间S‑N曲线模型，计算与所述应力幅及平均应力相对应的总应力循环次数；基于计算的所述单次通车下的应力循环次数及总应力循环次数，计算钢桥焊接细节的疲劳寿命。本发明准确考虑了平均应力效应对焊接钢桥疲劳寿命的影响，克服了现有钢桥疲劳设计规范对疲劳寿命估计过高的弊端，必将得到广泛应用和推广。

Description

一种焊接钢桥结构的疲劳寿命计算方法

技术领域

本发明涉及一种计算方法，尤其涉及一种焊接钢桥结构的疲劳寿命计算方法。

背景技术

现代大跨度桥梁大多采用钢桥，例如从1997年中国虎门大桥首次采用钢箱梁桥以来，中国的跨江、跨海大桥普遍采用大跨钢箱梁桥。这些大桥是中国的交通枢纽，承担着巨大的车辆通行压力。然而，自从这些桥梁运营以来，钢桥疲劳开裂问题就一直困扰着这些桥梁。在中国经济发达的两个区域，珠三角和长三角，有两座桥梁最典型。虎门大桥1997年通车，5年后就疲劳开裂；江阴大桥1999年通车，9年后也发现了疲劳裂纹。钢桥的过早疲劳开裂问题导致了巨大的经济损失和安全隐患。然而，这些钢桥的焊接细节采用欧洲、美国或者中国等国内外钢桥疲劳设计规范计算的疲劳寿命都远大于桥梁设计使用寿命100年，这表明现有钢桥疲劳设计规范过高估计了焊接细节的疲劳寿命。因而急需提出一种能够准确计算估焊接钢桥结构疲劳寿命的方法。

现有钢桥疲劳设计规范认为焊接细节的疲劳寿命仅与应力幅有关，而与平均应力无关，然后通过大量不同焊接类型的实验获得各类焊接细节的S-N曲线模型，再依据应力幅计算疲劳寿命。实际上，钢材的疲劳寿命是由应力幅和平均应力共同影响的。

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

技术问题：本发明提供了一种焊接钢桥结构的疲劳寿命计算方法，以准确考虑平均应力效应对焊接钢桥疲劳寿命的影响，克服现有钢桥疲劳设计规范对疲劳寿命估计过高的弊端。

技术方案：本发明的一种焊接钢桥结构的疲劳寿命计算方法，包括：

S1：建立考虑平均应力修正的钢材疲劳抗力的全空间S-N曲线模型；

S2：考虑焊接残余应力和车辆荷载应力的耦合效应，计算钢桥焊接细节的真实应力时程；

S3：利用雨流计数法对所述真实应力时程进行处理，并基于处理结果计算应力幅、平均应力和单次通车下的应力循环次数；

S4：利用建立的所述考虑平均应力修正的全空间S-N曲线模型，计算与所述应力幅、平均应力相对应的总应力循环次数；

S5：基于所述单次通车下的应力循环次数以及总应力循环次数，计算钢桥焊接细节的疲劳寿命。

进一步的，所述建立考虑平均应力修正的钢材疲劳抗力的全空间S-N曲线模型具体包括：

S11：建立对称循环下钢材的全空间S-N曲线模型的基本公式：

σ_-1＝a(N+B)^b+c (1)

式中，σ_-1为对称循环下的应力幅，N为所述应力幅对应的疲劳寿命，参数a,c,B参见式(2)，参数b与材料有关；

其中，

σ_k＝0.5σ_u (5)

式中，σ_u为材料的极限拉伸强度，Hv为材料硬度；1,σ_u分别为所述曲线模型的起始点对应的疲劳寿命和应力幅；N_k,σ_k分别为所述曲线模型的第二个拐点对应的疲劳寿命和应力幅；N_GCF,σ_GCF分别为所述曲线模型的终止点对应的疲劳寿命和应力幅；

S12：Goodman方程如式(6)所示：

(σ/σ_-1)+(σ_m/σ_s)＝1 (6)

式中，σ_s为材料屈服强度；σ_-1是对称循环下的应力幅；σ和σ_m是任意循环下的应力幅和平均应力；

S13：由式(6)解出σ_-1，如式(7)所示：

S14：根据(7)式和(1)式，即得考虑平均应力σ_m修正的全空间S-N曲线模型，如式(8)：

进一步的，所述步骤S2，具体包括：根据钢桥结构设计图纸，首先建立包含焊接细节的全桥有限元模型，进而采用生死单元技术和热-结构耦合方法进行焊接细节的焊接过程模拟，焊接过程模拟完成后，继续施加车辆荷载，考虑焊接残余应力和车辆荷载应力的耦合效应，得到焊接细节的真实应力时程σ_t。

进一步的，所述步骤S5根据公式(9)计算钢桥焊接细节的疲劳寿命T：

其中，m为每年车流量，单位次/年，n_i为单次通车下的应力循环次数，N_i为平均应力相对应的总应力循环次数。

有益效果：本发明具有以下有益效果：

(1)本方法准确考虑了平均应力效应对焊接钢桥结构疲劳寿命的影响，而现有钢桥疲劳设计规范忽略了平均应力的影响，导致了现有钢桥疲劳设计规范过高估计了钢桥焊接细节的疲劳寿命。因此，本方法能够准确计算焊接钢桥的疲劳寿命，适用范围广；

(2)本方法简捷方便，实施起来具有很好的可操作性，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。

因此，本发明提供的一种焊接钢桥结构的疲劳寿命计算方法，能够准确考虑平均应力效应对焊接钢桥疲劳寿命的影响，克服了现有钢桥疲劳设计规范对疲劳寿命估计过高的弊端。

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焊接钢桥结构疲劳寿命计算方法的流程图；

图2为本发明实施例中钢材在对称循环下的全空间S-N曲线模型；

图3为本发明实施例中考虑焊接残余应力与车辆荷载应力的耦合效应，所计算得到焊接细节的真实应力时程曲线。

具体实施方式

请参阅图1至图3，本实施例的一种焊接钢桥结构的疲劳寿命计算方法，该方法包括如下步骤：

S1：建立考虑平均应力修正的钢材疲劳抗力的全空间S-N曲线模型；

S2：考虑焊接残余应力和车辆荷载应力的耦合效应，计算钢桥焊接细节的真实应力时程；

S3：利用雨流计数法对所述真实应力时程进行处理，并基于处理结果计算应力幅、平均应力和单次通车下的应力循环次数；

S4：利用建立的所述考虑平均应力修正的全空间S-N曲线模型，计算与所述应力幅、平均应力相对应的总应力循环次数；

S5：基于所述单次通车下的应力循环次数以及总应力循环次数，计算钢桥焊接细节的疲劳寿命。

在本实施方式中，步骤S1可以具体包括以下几个子步骤：

S11：建立对称循环下钢材的全空间S-N曲线模型的基本公式：

σ_-1＝a(N+B)^b+c (1)

式中，σ_-1为对称循环下的应力幅，N为所述应力幅对应的疲劳寿命，参数a,c,B参见式(2)，参数b与材料有关，对于钢材，参数b取-0.2。

其中，

σ_k＝0.5σ_u (5)

式中，σ_u为材料的极限拉伸强度，Hv为材料硬度。1,σ_u分别为所述曲线模型的起始点对应的疲劳寿命和应力幅；N_k,σ_k分别为所述曲线模型的第二个拐点对应的疲劳寿命和应力幅；N_GCF,σ_GCF分别为所述曲线模型的终止点对应的疲劳寿命和应力幅。

S12：将参数σ_u,Hv代入(4)和(5)式，求得N_k,σ_k。

S13：取N_GCF＝10¹⁰，代入(3)式，求得σ_GCF；

S14：将σ_u,b,σ_k,N_k,σ_GCF,N_GCF代入(2)式，可求得参数a,c,B。

S15：Goodman方程如式(6)所示：

(σ/σ_-1)+(σ_m/σ_s)＝1 (6)

式中，σ_s为材料屈服强度；σ_-1是对称循环下的应力幅；σ和σ_m是任意循环下的应力幅和平均应力。

S16：由式(6)解出σ_-1，如式(7)所示：

S17：将(7)式代入(1)式，即得考虑平均应力σ_m修正的全空间S-N曲线模型，如式(8)：

在本实施方式中，步骤S2可以包括：根据钢桥结构设计图纸，首先建立包含焊接细节的全桥有限元模型，进而采用生死单元技术和热-结构耦合方法进行焊接细节的焊接过程模拟，焊接过程模拟完成后，继续施加车辆荷载，从而考虑了焊接残余应力和车辆荷载应力的耦合效应，得到焊接细节的真实应力时程σ_t。

在本实施方式中，步骤S3可以具体包括：利用雨流计数法对所述真实应力时程σ_t进行处理，并基于处理结果计算应力幅σ_i、平均应力σ_mi和单次通车下的应力循环次数n_i。

在本实施方式中，步骤S4具体包括：利用建立的所述考虑平均应力修正的全空间S-N曲线模型，将求得的所述应力幅σ_i和平均应力σ_mi代入公式(8)，求得与所述应力幅、平均应力相对应的总应力循环次数N_i。

在本实施方式中，步骤S5具体包括：基于所述单次通车下的应力循环次数n_i以及总应力循环次数N_i，按公式(9)计算钢桥焊接细节的疲劳寿命T。每年车流量取为m次/年。

以江阴长江大桥的钢桥面板顶板-纵肋焊接细节的疲劳寿命计算为例，说明本发明的具体实施过程：

(1)Q345钢的材料参数σ_u＝518MPa、Hv＝142kgf/mm²代入式(4)～(5)，求得σ_k＝259MPa,N_k＝36192；取N_GCF＝10¹⁰，代入(3)式，求得σ_GCF＝179MPa；取b＝-0.2，将σ_u,b,σ_k,N_k,σ_GCF,N_GCF代入式(2)，求得参数a＝712MPa,c＝179MPa,B＝41。将参数a,c,B代入方程(1)，得对称循环下Q345钢材的全空间S-N曲线，如图2所示。将a,c,B代入式(8)，即得考虑平均应力修正的全空间S-N曲线，如式(10)所示。

(2)根据江阴长江大桥的钢桥结构设计图纸，采用ANSYS软件(一种通用有限元分析软件)首先建立包含焊接细节的全桥有限元模型，进而采用生死单元技术和热-结构耦合方法进行焊接细节的焊接过程模拟，焊接过程模拟完成后，继续施加车辆荷载(本例中计算超重车作用下的疲劳寿命，超重车的轴重取为80/240/240/220/220/220)，从而考虑了焊接残余应力和车辆荷载应力的耦合效应，得到焊接细节的真实应力时程σ_t，如图3所示。需要指出，本方法不是分别计算焊接残余应力和车载作用下的结构应力时程然后简单相加，而是在有限元模型上先计算焊接残余应力，然后继续施加车辆荷载，计算焊接残余应力和车辆荷载应力的耦合应力。因此，本方法能够真正考虑焊接残余应力和车辆荷载应力的耦合效应，从而得到焊接细节的真实应力时程σ_t。

(3)采用雨流计数法对结构真实应力时程σ_t进行处理，得到应力幅σ_i、平均应力σ_mi和单次通车下的应力循环次数n_i。σ_i，σ_mi和n_i数值见表1。

表1超重车下σ_i，σ_mi，n_i和N_i数值计算结果列表

(4)利用建立的所述考虑平均应力修正的全空间S-N曲线模型，将求得的所述应力幅σ_i和平均应力σ_mi代入公式(10)，求得与所述应力幅、平均应力相对应的总应力循环次数N_i，其数值见表1。

(5)基于所述单次通车下的应力循环次数n_i以及总应力循环次数N_i，取车流量m为2550次/年(江阴长江大桥的年平均值)，按公式(9)计算焊接细节的疲劳寿命T。采用本方法计算得到正交异性钢桥面板顶板-纵肋焊接细节在超重车荷载下的疲劳寿命仅为4.41年，而采用欧洲Eurocode3规范计算在超重车荷载下的疲劳寿命为1845年。

由上可见，本方法准确考虑了平均应力效应对焊接钢桥结构疲劳寿命的影响，而现有钢桥疲劳设计规范忽略了平均应力的影响，导致了现有钢桥疲劳设计规范过高估计了钢桥焊接细节的疲劳寿命。

Claims (4)

1.一种焊接钢桥结构的疲劳寿命计算方法，其特征在于，包括：

S1：建立考虑平均应力修正的钢材疲劳抗力的全空间S-N曲线模型；

S2：考虑焊接残余应力和车辆荷载应力的耦合效应，计算钢桥焊接细节的真实应力时程；

S3：利用雨流计数法对所述真实应力时程进行处理，并基于处理结果计算应力幅、平均应力和单次通车下的应力循环次数；

S4：利用建立的所述考虑平均应力修正的全空间S-N曲线模型，计算与所述应力幅、平均应力相对应的总应力循环次数；

S5：基于所述单次通车下的应力循环次数以及总应力循环次数，计算钢桥焊接细节的疲劳寿命。

2.根据权利要求1所述的焊接钢桥结构的疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述建立考虑平均应力修正的钢材疲劳抗力的全空间S-N曲线模型具体包括：

S11：建立对称循环下钢材的全空间S-N曲线模型的基本公式：

σ_-1＝a(N+B)^b+c (1)

式中，σ_-1为对称循环下的应力幅，N为所述应力幅对应的疲劳寿命，参数a,c,B参见式(2)，参数b与材料有关；

其中，

σ_k＝0.5σ_u (5)

式中，σ_u为材料的极限拉伸强度，Hv为材料硬度；1,σ_u分别为所述曲线模型的起始点对应的疲劳寿命和应力幅；N_k,σ_k分别为所述曲线模型的第二个拐点对应的疲劳寿 命和应力幅；N_GCF,σ_GCF分别为所述曲线模型的终止点对应的疲劳寿命和应力幅；

S12：Goodman方程如式(6)所示：

(σ/σ_-1)+(σ_m/σ_s)＝1 (6)

式中，σ_s为材料屈服强度；σ_-1是对称循环下的应力幅；σ和σ_m是任意循环下的应力幅和平均应力；

S13：由式(6)解出σ_-1，如式(7)所示：

S14：根据(7)式和(1)式，即得考虑平均应力σ_m修正的全空间S-N曲线模型，如式(8)：

3.根据权利要求1所述的焊接钢桥结构的疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述步骤S2，具体包括：根据钢桥结构设计图纸，首先建立包含焊接细节的全桥有限元模型，进而采用生死单元技术和热-结构耦合方法进行焊接细节的焊接过程模拟，焊接过程模拟完成后，继续施加车辆荷载，考虑焊接残余应力和车辆荷载应力的耦合效应，得到焊接细节的真实应力时程σ_t。

4.根据权利要求1所述的焊接钢桥结构的疲劳寿命计算方法，其特征在于，所述步骤S5根据公式(9)计算钢桥焊接细节的疲劳寿命T：

其中，m为每年车流量，单位次/年，n_i为单次通车下的应力循环次数，N_i为平均应力相对应的总应力循环次数。