CN107092735A - 一种桥梁疲劳状态评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁疲劳状态评估方法，包括以下步骤：步骤1、建立桥梁结构的多尺度有限元模型；步骤2、量化该桥梁结构在疲劳荷载下的裂纹信息和表面缺陷；步骤3、进行疲劳加载计算；步骤4、利用S‑N曲线法评估具有表面缺陷的构件的疲劳状态和剩余寿命；步骤5、利用线弹性断裂力学法评估具有裂纹的构件的疲劳状态和剩余寿命。本发明与现有技术相比，具有以下优点：1)基于桥梁的多尺度有限元模型，可考虑不易于检测却易于发生疲劳累积的关键部位的疲劳状态的评定；2)可考虑随着服役期增加，桥梁自身性能不断劣化所造成的疲劳寿命衰减。

Description

一种桥梁疲劳状态评估方法

技术领域

本发明属于桥梁状态评估领域，涉及一种桥梁疲劳状态的评估方法。

背景技术

近年来，随着桥梁结构健康监测、人工检测或无损探伤等现代化的监测检测手段的发展，一些大跨度桥梁已得到大量的监测、检测信息，包括桥梁在服役期产生的裂纹、混凝土碳化、钢筋锈蚀等多类缺陷信息，这些检测到的缺陷无疑会降低桥梁结构的安全性、可靠性和耐久性。因此，对既有大跨度钢桥来说，如何基于以上检测信息，考虑桥梁运营状态下疲劳状态在时间上的变异性，来进行大跨桥梁疲劳损伤状态评估就显得尤为重要。

另一方面，大跨桥梁结构构件众多，连接关系复杂，局部危险部位的各类缺陷须借助于数值模拟方法解决。现行的有限元计算中，数值模型精度不高，容易给局部应力应变的计算带来误差。而基于大型通用软件建立的多尺度有限元模型可以有效的用于大跨桥梁的整体大尺度、局部构件尺度和焊接细节的小尺度的应力分析。因此，可以利用桥梁精确的多尺度有限元模型和实时监测、检测的数据实现对桥梁疲劳状态的实时评估。

发明内容

发明目的：本发明提供一种利用桥梁精确的多尺度有限元模型和实时监测、检测的数据实现对桥梁进行疲劳状态评估的方法。

技术方案：本发明的桥梁疲劳状态评估方法，包括如下步骤：

步骤1、基于子模型技术建立桥梁结构的多尺度有限元模型；

步骤2、基于桥梁检测信息，量化该桥梁结构在疲劳荷载下产生的裂纹扩展信息和表面缺陷信息；

步骤3、基于步骤2的量化结果，在所述步骤1中的多尺度有限元模型的子模型上建立微裂纹模型和表面缺陷模型，并进行疲劳加载计算；

步骤4、根据所述步骤3的计算结果，利用S-N曲线法评估具有表面缺陷的构件的疲劳状态和剩余寿命；

步骤5、根据所述步骤3的计算结果，利用线弹性断裂力学法评估具有裂纹缺陷的构件的疲劳状态和剩余寿命。

进一步的，本发明方法中，所述步骤1的具体步骤为：

(a)建立桥梁的整体模型，用单元特征长度为10⁰m的网格划分所述整体模型，用一个节点力来表示车辆荷载，车辆荷载的移动总步数为该节点力从桥端节点移动至桥尾节点所经过的所有节点的总和，所述车辆荷载的移动总步数称为加载步；

(b)将步骤(a)中建立的桥梁模型进行有限元计算，得到车辆移动荷载在桥面上移动时引起的各节点应力变化状态，即节点应力时程，并绘制节点应力时程图；

(c)基于所述步骤(b)得到节点应力时程，确定需要详细分析的子模型的长度，即子模型的有效加载区域；

(d)根据步骤(c)得到的有效加载区域，建立子模型，并用单位特征长度为10^-3m的网格划分子模型；

(e)将所述整体模型与子模型进行跨尺度衔接，即保证子模型的约束和受力状态与其对应整体模型的部分保持一致，最终形成桥梁结构多尺度有限元模型。

进一步的，本发明方法中，所述步骤(c)的具体步骤为：

P1)根据步骤(b)得到的桥梁的节点应力时程图上最大应力与最小应力的差值，即应力幅的大小，将分析的桥梁结构划分为受力关键区域与非关键区域；

P2)根据所述步骤P1)选取车辆荷载作用于桥面上引起受力关键区的应力时程发生显著变化的长度，从而确定子模型的有效加载区域。

进一步的，本发明方法中，所述步骤P2)的具体内容为：

i)根据所述步骤(a)划分的整体模型和所述步骤(b)计算得到的节点应力时程，确定受力关键段正中位置节点的应力时程；

ii)在所述步骤i)中确定的受力关键段正中位置节点的应力时程上，选取应力幅值的大小是整体应力幅的90％或以上的区域，并记该区域的加载步为n；

iii)将所述步骤ii)中的加载步n换算成区域的长度，该长度就是受力关键区的纵向长度，将确定了纵向长度的受力关键区域作为子模型的有效加载区域。

进一步的，本发明方法中，所述步骤(e)的具体步骤为：

1)在所述子模型内输入位移约束条件，具体为：根据整体模型及计算结果文件，利用插值法计算子模型切割边界节点的位移，再将这些数值用单元形状功能插值到切割边界上；

2)在所述子模型内输入力的加载条件，具体为：在子模型上施加整体模型中的移动车载，并将整体模型中拉索对桥面箱梁的索力等效施加在建立的子模型的对应段上，最终得到多尺度有限元模型。

进一步的，本发明方法中，所述步骤2中按照以下方式量化该桥梁结构在疲劳荷载下的裂纹信息：利用检测到的疲劳裂纹尺寸的变化来对裂纹扩展状态进行量化，所述尺寸为长度和深度。

进一步的，本发明方法中，所述步骤2中按照以下方式量化该桥梁结构在疲劳荷载下产生的表面缺陷：利用混凝土剥落面的增大或钢筋的弹性模量的折减对表面缺陷状态进行量化。

所述的步骤4中利用S-N曲线法评估具有表面缺陷的构件的疲劳状态和剩余寿命的具体方法是：将承受变幅随机荷载作用的构件的不同的应力幅值用一个等效的常应力幅来替代，替代的原则是这个等效常幅作用下的疲劳寿命等于变应力幅作用下的疲劳寿命，其计算公式为：

式中，σ_εf为变应力幅对应的等效常应力幅；为各级变应力幅的循环数；m为指定细节类型下的构件在常幅应力幅值下的S-N曲线的斜率，对于大部分构件细节，m＝3。将得到的等效常应力幅代入S-N曲线，即可得到具有表面缺陷的构件的疲劳状态和剩余寿命。

损伤量的计算公式为：

式中，D为损伤量；C对应材料S-N曲线的参数。根据损伤理论，结构的损伤量D＝1时，结构发生破坏。结构的损伤量D＜1时，才能保证结构的疲劳强度满足要求。

所述的步骤5中利用线弹性断裂力学法评估具有裂纹缺陷的构件的疲劳状态和剩余寿命的具体方法是：采用断裂力学方法分析桥梁的疲劳状态时，通常考虑在指定的时间t内，初始裂纹a_i扩展到长度a_t，当a_t大于断裂时的临界裂纹尺寸a_cr时，即认为发生疲劳失效，即钢桥疲劳裂纹扩展的极限方程为：

Z＝a_cr-a_t

式中，临界裂纹尺寸a_cr是指超过此尺寸就会发生断裂破坏或不适合继续承受荷载作用，通常使用K准则或适合承载条件准则来确定。

裂纹从长度a₀扩展到长度a_f所对应的疲劳循环次数或者疲劳寿命N_f为：

式中，a₀和a_f分别为初始裂缝长度和初始裂纹扩展到某一时刻所对应的长度。

本发明方法基于大跨桥梁多尺度有限元模型，考虑人工检测或无损探测到的各类缺陷，将缺陷引入有限元模型对桥梁当前疲劳状态的评估。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

近二十年来，桥梁结构健康监测、人工检测或无损探伤等现代化的监测、检测手段得到发展，一些大跨度桥梁已得到大量的检测信息，包括在服役期内存在于结构内部的裂纹、混凝土碳化、钢筋锈蚀、螺栓断裂或表面处理不到位等多类缺陷，检测报告详细地将它们定位和定级于桥梁的局部构件和细节处。此类详尽的检测信息虽然被人工检测资料记录和存档，但桥梁的研究工作者在其研究工作中并没考虑这类缺陷的出现和演化所造成的桥梁服役性能的衰退和可靠程度的降低。因此，如何基于以上检测信息，考虑服役期内各类缺陷的演化来进行大跨桥梁随时间变化的疲劳损伤状态的评估与可靠度的评定就显得尤为重要。而在桥梁设计阶段，一般设计部门已建立一个等效的正交异性桥面板模型来分析大跨桥梁的静力特性和动力特性。但由于桥梁的疲劳损伤最易发生于局部焊接构件的焊缝焊趾处，而这些焊接细节在通常的有限元模型中被简化为节点来处理，上述模型实际上不能满足对桥梁局部细节应力状态和疲劳状态的分析要求。所以本发明基于大型通用软件建立包含了整体尺度、局部构件尺度和焊接细节尺度的桥梁多尺度有限元模型，依据人工检测或无损探测到的各类桥梁缺陷，来进行桥梁疲劳状态的评估，估算桥梁的剩余寿命。本发明与现有技术相比，具有以下优点：1)基于桥梁的多尺度有限元模型，可考虑不易于检测却易于发生疲劳累积的关键部位的疲劳状态的评定，一定程度上弥补了桥梁健康监测系统无法反映复杂构型局部焊缝区域应力分布规律的不足；2)基于桥梁检测的各类缺陷信息，可考虑随着服役期增加桥梁自身性能不断劣化所造成的疲劳寿命衰减，进而可以准确地判断桥梁随时间退化的实际服役状态。本发明尤其适用于基于桥梁结构的数值模拟技术来评估其服役状态的情形。

附图说明

图1是本发明疲劳评估的流程图；

图2是大跨桥梁结构多尺度模型的建立流程图；

图3是示例中，桥梁整体有限元模型示意图；

图4是示例中，正交异性桥面板子模型示意图；

图5是裂纹量化流程图；

图6是表面缺陷量化流程图；

图7是钢箱梁检测到的各类缺陷的示意图；

图8a)是索梁锚固区局部裂纹模型图；b)是钢箱梁构件局部裂纹模型图；

图9是表面缺陷模型；

具体实施方法

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明的一种桥梁疲劳状态评估方法主要包括如下几个步骤：

1.基于子模型技术建立桥梁结构的多尺度有限元模型；

2.基于桥梁检测信息，量化该桥梁结构在疲劳荷载下的所产生的裂纹扩展和表面缺陷信息；

3.基于步骤2的量化结果，在所述步骤1中的多尺度有限元模型的子模型上建立微裂纹模型和表面缺陷模型，并进行疲劳加载计算；

4.根据所述步骤3的计算结果，利用S-N曲线法评估具有表面缺陷的构件的疲劳状态和剩余寿命；

5.根据所述步骤3的计算结果，利用线弹性断裂力学法评估具有裂纹缺陷的构件的疲劳状态和剩余寿命。

步骤1中，基于子模型技术建立桥梁结构的多尺度有限元模型。子模型技术是得到模型部分区域中更加精确解的有限元技术。子模型方法又称为切割边界位移法或特定边界位移法，是一种整体粗糙分析与局部精细分析相结合的方法，且局部分析是在整体分析的基础上进行的，实际上也可以看做是一种“二次分析”。

如图2所示，基于子模型技术建立桥梁结构的多尺度有限元模型的过程为：

(a)建立桥梁的整体模型，用单元特征长度为10⁰m的网格划分所述整体模型，用一个节点力来表示车辆荷载，车辆荷载的移动总步数为该节点力从桥端节点移动至桥尾节点所经过的所有节点的总和，所述的车辆荷载的移动总步数称为加载步；

(b)将步骤(a)中建立的桥梁模型进行有限元计算，得到车辆移动荷载在桥面上移动时引起的各节点应力变化状态，即节点应力时程，并绘制节点应力时程图；

(c)基于所述步骤(b)得到的节点应力时程，确定需要详细分析的子模型的长度，即子模型的有效加载区域；

(d)根据步骤(c)得到的有效加载区域，建立子模型，并用单位特征长度10^-3m的网格划分子模型；

(e)将所述整体模型与子模型进行跨尺度衔接，即保证子模型的约束和受力状态与其对应整体模型的部分保持一致，最终形成桥梁结构多尺度有限元模型。

步骤(c)中，根据步骤(a)中的节点应力时程，确定需要详细分析的子模型的长度，即子模型的有效加载区域的步骤为：

P1)根据步骤(b)得到的桥梁的节点应力时程图上最大应力与最小应力的差值，即应力幅的大小，将分析的桥梁结构划分为受力关键区域与非关键区域；

P2)根据所述步骤P1)选取车辆荷载作用于桥面上引起受力关键区的应力时程发生显著变化的长度，从而确定子模型的有效加载区域。

所述步骤P2)包括以下几个步骤：

i)根据所述步骤(a)划分的整体模型和所述步骤(b)计算得到的节点应力时程，确定受力关键段正中位置节点的应力时程；

ii)在所述步骤i)中确定的受力关键段正中位置节点的应力时程上，选取应力幅值的大小是整体应力幅的90％或以上的区域，并记该区域的加载步为n；

iii)将所述步骤ii)中的加载步n换算成区域的长度，该长度就是受力关键区的纵向长度，将确定了纵向长度的受力关键区域作为子模型的有效加载区域。

步骤(e)中，整体模型与子模型进行跨尺度衔接，需要保证子模型的约束和受力状态与其对应的整体模型的部分保持一致。具体步骤如下：

1)在所述子模型内输入位移约束条件，具体为：根据整体模型及计算结果文件，利用插值法计算子模型切割边界节点的位移，再将这些数值用单元形状功能插值到切割边界上；

2)在所述子模型内输入力的加载条件，具体为：在子模型上施加整体模型中的移动车载，并将整体模型中拉索对桥面箱梁的索力等效施加在建立的子模型的对应段上，最终得到多尺度有限元模型。

作为示例，用ANSYS有限元软件建立如图3所示的斜拉桥整体模型和如图4所示的包含局部缆索和U形肋的正交异性桥面板的局部精细模型作为整体模型的子模型。

步骤2中，基于桥梁检测信息，量化该桥梁结构在疲劳荷载下的所产生的裂纹扩展和表面缺陷，主要过程如下：

(1)利用疲劳裂纹的尺寸来对裂纹扩展状态进行量化。桥梁局部疲劳易损部位的焊接细节处可能存在的焊缝微孔洞或焊接裂纹，在疲劳荷载作用下，裂纹会萌生或扩展。所以对这一缺陷可利用萌生或扩展的疲劳裂纹的尺寸(包括长度或深度)的变化来考虑其疲劳状态。图5提供了裂纹量化流程图。

(2)利用混凝土剥落面的增大或钢筋的弹性模量的折减对表面缺陷状态进行量化。各类混凝土剥落等表面缺陷，随着服役时间增长，通常会引起局部的钢筋锈蚀，而在疲劳荷载作用下将导致局部构件的力学性能降低，因而可利用混凝土剥落面的增大或钢筋的弹性模量的折减来反映这类缺陷的疲劳状态；对于使用年限已久、破坏面严重的构件，一般可通过折减面积来考察这类缺陷对承载能力的影响，而对于破坏尚未严重到导致局部破坏的构件，可通过折减材料的弹性模量引入缺陷，具体的折减系数取值一般依据不同材料由实验确定。图6提供了表面缺陷量化流程图。

桥梁维护部门每隔数年就会进行分段的人工无损检测，这些人工检测或无损探伤能够得到上述步骤中所需要的疲劳裂纹的尺寸和混凝土剥落等缺陷信息。作为示例，图7提供了步骤1中的桥梁模型钢箱梁检测到的各类缺陷的示意图，其中圆形代表裂纹，矩形代表表面缺陷，深色和浅色代表不同的缺陷程度。

步骤3中，基于步骤2得到的量化的裂纹扩展和表面缺陷值，在步骤1中的多尺度有限元模型的子模型上建立微裂纹模型和表面缺陷模型，并进行疲劳加载计算。

作为示例，在步骤1中的子模型的索梁锚固区和钢箱梁构件上分别建立如图8a)和图8b)所示的索梁锚固区局部裂纹模型和钢箱梁构件局部裂纹模型和如图9所示的表面缺陷模型，其特征长度在10^-3m，其中a表示模拟裂纹长度。

步骤4中，利用S-N曲线法评估具有表面缺陷的构件的疲劳状态和剩余寿命。S-N曲线法一般是用于求解常幅荷载作用下的疲劳寿命。但在该说明中，将承受变幅随机荷载作用的构件的不同的应力幅值用一个等效的常应力幅来替代，替代的原则是这个等效常幅作用下的疲劳寿命等于变应力幅作用下的疲劳寿命，其计算公式为：

式中，σ_ef为变应力幅对应的等效常应力幅；n_i为各级变应力幅σ_i的循环数；m为指定细节类型下的构件在常幅应力幅值下的S-N曲线的斜率，对于大部分构件细节，m＝3。将得到的等效常应力幅σ_ef代入S-N曲线，即可得到具有表面缺陷的构件的疲劳状态和剩余寿命。

损伤量的计算公式为：

式中，D为损伤量；C对应材料S-N曲线的参数。根据损伤理论，结构的损伤量D＝1时，结构发生破坏。结构的损伤量D＜1时，才能保证结构的疲劳强度满足要求。

作为示例，针对步骤1中的桥梁模型，依据该桥梁某一年的人工年检报告，取表面缺陷面积为0.00064m²，钢筋弹性模量的折减系数为0.9，得出图9所示的具有表面缺陷的桥梁结构的索梁锚固区关键节点91126评估结果为：应力幅值为51.026MPa，平均应力值为31.619MPa，等效应力值为3.2772MPa，损伤增量为3.4265e-5，疲劳寿命为80年。

步骤5中，利用线弹性断裂力学法评估具有裂纹缺陷的构件的疲劳状态和剩余寿命。采用断裂力学方法分析桥梁的疲劳状态时，通常考虑在指定的时间t内，初始裂纹a_i扩展到长度a_t，当a_t大于断裂时的临界裂纹尺寸a_cr时，即认为发生疲劳失效，即钢桥疲劳裂纹扩展的极限方程为：

Z＝a_cr-a_t

式中，临界裂纹尺寸a_cr是指超过此尺寸就会发生断裂破坏或不适合继续承受荷载作用，通常使用K准则或适合承载条件准则来确定。

使用K准则时，认为a_cr与材料断裂韧度K_IC直接相关，可表示为：

式中F(a)为几何形状修正系数，可取为2.3左右。σ为远离裂纹的名义应力或应力幅，可通过有限元模型输出。对于Q345钢材，可取K_IC近似等于

使用适合承载条件准则时，临界裂纹尺寸a_cr被定义为一个明确的裂纹尺寸，若板件的厚度或者宽度等，裂纹大于此尺寸时细节将不能满足使用性要求。通常来说，适合承载条件准则比K准则所定义的临界裂纹尺寸更保守。

采用Paris给出的椭圆形裂纹在裂纹长度方向上不同的应力强度因子和裂纹扩展率的关系式：

式中，c和m和材料常数，a为裂纹长度，N为荷载作用次数，ΔK为应力强度因子幅值。对上式积分，可得到当裂纹从长度a₀扩展到长度a_f所对应的疲劳加载次数N_f为：

式中，a₀和a_f分别为初始裂缝长度和初始裂纹扩展到某一时刻所对应的长度。

作为示例，针对步骤1中建立的多尺度有限元模型，并取C＝1.224×10^-8，m＝2.88，承压板总长1.5米，认为裂纹扩展到上部贯穿承压板时构件失效，那么最终破坏裂纹值a_f＝69.95cm。取缝宽为0.1mm，裂纹长度占承压板总长的1.33％，得构件疲劳加载次数N_f为5599166次。取每天荷载作用次数为922次，由此可得该裂纹长度下构件的疲劳寿命为16.8828年。

Claims (7)

1.一种桥梁疲劳状态评估方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1、基于子模型技术建立桥梁结构的多尺度有限元模型；

步骤2、基于桥梁检测信息，量化该桥梁结构在疲劳荷载下产生的裂纹扩展信息和表面缺陷信息；

步骤3、基于步骤2的量化结果，在所述步骤1中的多尺度有限元模型的子模型上建立微裂纹模型和表面缺陷模型，并进行疲劳加载计算；

步骤4、根据所述步骤3的计算结果，利用S-N曲线法评估具有表面缺陷的构件的疲劳状态和剩余寿命；

步骤5、根据所述步骤3的计算结果，利用线弹性断裂力学法评估具有裂纹缺陷的构件的疲劳状态和剩余寿命。

2.根据权利要求1所述的一种桥梁疲劳状态评估方法，其特征在于，所述步骤1的具体步骤为：

(a)建立桥梁的整体模型，用单元特征长度为10⁰m的网格划分所述整体模型，用一个节点力来表示车辆荷载，车辆荷载的移动总步数为该节点力从桥端节点移动至桥尾节点所经过的所有节点的总和，所述车辆荷载的移动总步数称为加载步；

(b)将步骤(a)中建立的桥梁模型进行有限元计算，得到车辆移动荷载在桥面上移动时引起的各节点应力变化状态，即节点应力时程，并绘制节点应力时程图；

(c)基于所述步骤(b)得到节点应力时程，确定需要详细分析的子模型的长度，即子模型的有效加载区域；

(d)根据步骤(c)得到的有效加载区域，建立子模型，并用单位特征长度为10^-3m的网格划分子模型；

(e)将所述整体模型与子模型进行跨尺度衔接，即保证子模型的约束和受力状态与其对应整体模型的部分保持一致，最终形成桥梁结构多尺度有限元模型。

3.根据权利要求2所述的一种桥梁疲劳分析评估方法，其特征在于，所述步骤(c)的具体步骤为：

P1)根据步骤(b)得到的桥梁的节点应力时程图上最大应力与最小应力的差值，即应力幅的大小，将分析的桥梁结构划分为受力关键区域与非关键区域；

P2)根据所述步骤P1)选取车辆荷载作用于桥面上引起受力关键区的应力时程发生显著变化的长度，从而确定子模型的有效加载区域。

4.根据权利要求3所述的所述的一种桥梁疲劳分析评估方法，其特征在于，所述的步骤P2)的具体内容为：

i)根据所述步骤(a)划分的整体模型和所述步骤(b)计算得到的节点应力时程，确定受力关键段正中位置节点的应力时程；

ii)在所述步骤i)中确定的受力关键段正中位置节点的应力时程上，选取应力幅值的大小是整体应力幅的90％或以上的区域，并记该区域的加载步为n；

iii)将所述步骤ii)中的加载步n换算成区域的长度，该长度就是受力关键区的纵向长度，将确定了纵向长度的受力关键区域作为子模型的有效加载区域。

5.根据权利要求2中所述的一种桥梁疲劳状态评估方法，其特征在于，所述步骤(e)的具体步骤为：

1)在所述子模型内输入位移约束条件，具体为：根据整体模型及计算结果文件，利用插值法计算子模型切割边界节点的位移，再将这些数值用单元形状功能插值到切割边界上；

2)在所述子模型内输入力的加载条件，具体为：在子模型上施加整体模型中的移动车载，并将整体模型中拉索对桥面箱梁的索力等效施加在建立的子模型的对应段上，最终得到多尺度有限元模型。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种桥梁疲劳状态评估方法，其特征在于，所述步骤2中按照以下方式量化该桥梁结构在疲劳荷载下的裂纹信息：利用检测到的疲劳裂纹尺寸的变化来对裂纹扩展状态进行量化，所述尺寸为长度和深度。

7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种桥梁疲劳状态评估方法，其特征在于，所述步骤2中按照以下方式量化该桥梁结构在疲劳荷载下产生的表面缺陷：利用混凝土剥落面的增大或钢筋的弹性模量的折减对表面缺陷状态进行量化。