CN111191318A - 一种大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测方法及系统。本发明方法包括步骤：S1、采集内的环境参数，获得缆索系统所处的工作环境；S2、按照腐蚀损伤等效原则，通过环境当量关系建立适合大桥腐蚀疲劳寿命估计的环境加速度谱；S3、通过提取缆索应力时程，建立荷载谱；S4、对腐蚀影响系数调整后进行腐蚀疲劳寿命的预测。本发明系统与该方法对应。本发明能精确预测大跨缆索系统腐蚀疲劳寿命，具有较强的可操作性；通过本发明能够在其准确预测缆索系统寿命，为大桥的运营和维护提供科学依据，能显著降低大桥维护成本。
Description
技术领域
本发明属于桥梁工程领域，尤其涉及一种大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测方法及系统。
背景技术
现代桥梁结构的发展趋势是更长、更轻柔化、结构形式与功能的日趋复杂化，大跨桥梁作为标志性建筑，设计上轻柔美观、投资巨大，对于国民经济(或区域经济)的发展影响巨大。随着我国国民经济的发展，公路运输的交通流量、超重车辆不断增加，对桥梁结构的安全性、耐久性的要求越来越高。除了要考虑延续结构的使用寿命外，还必须考虑桥梁更换构件和维修的费用。通过结构安全性、耐久性分析，在确保结构安全的前提下，实施合理的经济维修，延长桥梁的使用寿命，具有非常重要的意义。
斜拉桥或悬索桥由于具有良好的跨越能力，已经成为现代大跨度桥梁的首选。在大跨度桥梁的设计寿命上，英国以120年为标准，美国以80年为标准，日本则以100年为标准，我国的大跨公路桥梁的设计寿命大部分也是在100年以上。但是作为大跨桥梁的主要承载和传力构件，缆索系统的寿命远远小于塔、梁等构件，直接影响桥梁结构的使用寿命、使用性能、维修周期。
大跨度悬索桥构件易受沿江海、湿雾多雨、化学烟雾等环境腐蚀，病害率高是不争的事实。在腐蚀环境下使用的桥梁结构既受载荷作用，又受环境腐蚀作用以及载荷/环境交互作用，疲劳损伤、腐蚀疲劳是桥梁结构破坏的最重要形式之一。尤其是缆索系统构件作为体外预应力索，直接暴露在空气中，并处于高应力状态，很容易受腐蚀而出现断丝甚至整根缆索或吊杆失效(目前的标准：吊杆内5％的钢丝断裂作为吊杆失效判定条件)的情况，直接影响结构的力学性能。并可能导致结构遭受灾难性的突然破坏。
国内外近年来先后有多座桥梁因为吊杆破坏失效引起的安全事故和经济上的损失，经济损失巨大。如法国的唐卡维尔桥原来的两根主缆已被腐蚀，1990年更换了两根主缆，又另外加了两根主缆；日本统计的104座悬索桥中，超过20％的桥梁结构性破坏是由于吊杆的腐蚀损伤而直接导致的。最近几年，国内由于吊杆损伤腐蚀等原因导致桥梁事故的事例也时有报道，典型的个例就是2001年四川宜宾金沙江南门桥使用10年后因承重的钢缆吊杆腐蚀失效而断成三截，导致局部桥面坍塌事故。
在腐蚀环境条件下，由于腐蚀介质作用，会改变结构疲劳质量，使分布函数的参数发生变化，增加了耐久性评估的复杂性。在目前国内外已经出现的大跨度悬索桥结构疲劳分析的文献中，以及有关腐蚀环境下结构裂纹扩展以及耐久性分析方法的研究文献中，大部分是基于腐蚀疲劳和常规疲劳引起的损伤进行可以分离的且符合线性累积损伤原理的假设；在考虑裂纹扩展模型时，大部分采用的是确定性模型。显然这样的假设与工程实际是有差距的；真实结构的疲劳裂纹扩展往往具有相当大的统计变异性，确定性模型导致耐久性分析结果偏于危险。总的看来，既考虑载荷作用又考虑环境腐蚀作用的腐蚀疲劳分析理论与技术仍不完善。
总之，现代大跨度悬索桥都采取了许多防腐蚀措施，但是效果仍然不理想或有待实践的进一步检验，环境腐蚀对桥梁结构耐久性影响的定量分析也有待进一步研究。随着一座座大型桥梁的问世以及环境状况的恶化，桥梁的腐蚀问题日趋严重。因此，进行大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测具有非常重要的工程意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有缆索监测系统的不足，提供一种大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测方法及系统，通过本发明能够在其准确预测缆索系统寿命，并能显著降低大桥维护成本。
本发明是这样实现的，一种大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测方法，该方法包括以下步骤：
S1、采集内的环境参数，获得缆索系统所处的工作环境；
S2、按照腐蚀损伤等效原则，通过环境当量关系建立适合大桥腐蚀疲劳寿命估计的环境加速度谱；
S3、通过提取缆索应力时程，建立荷载谱；
S4、对腐蚀影响系数调整后进行腐蚀疲劳寿命的预测。
优选地，在步骤S1中，所述环境参数包括温度、湿度、PH值和含盐量。
优选地，在步骤S2中，所述腐蚀损伤等效原则具体为：根据对同一材料、同一种结构，使运营环境谱作用的腐蚀量等于其在试验条件下的腐蚀量，把实际环境数据等效成加速环境当量。
优选地，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S30、根据所述环境当量谱建立大桥有限元模型，并分析得到缆索受力较大缆索构件静力和动力响应较大位置；
S31、监测在响应较大位置和易发生腐蚀的缆索构件的应力时程，或者通过蒙特卡洛法随机抽样模拟缆索系统的应力时程；
S32、运用雨流法处理所监测或所模拟的应力时程以建立荷载谱。
优选地，所述步骤S4具体为：按构成空中局部环境谱的各单一介作用下腐蚀疲劳寿命的试验，按百分比加权组合的方法获得空中腐蚀疲劳影响系数K，进行S-N曲线修正，最后进行腐蚀疲劳寿命预测。
本发明进一步公开了一种大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测系统，该系统包括：
环境参数采集模块，用于采集内的环境参数，获得缆索系统所处的工作环境；
环境当量模块，用于按照腐蚀损伤等效原则，通过环境当量关系建立适合大桥腐蚀疲劳寿命估计的环境加速度谱；
应力时程采集模块，用于通过提取缆索应力时程，建立荷载谱；
预测模块，用于对腐蚀影响系数调整后进行腐蚀疲劳寿命的预测。
优选地，所述环境参数采集模块中，所述环境参数包括温度、湿度、PH值和含盐量。
优选地，所述环境当量模块中，所述腐蚀损伤等效原则具体为：根据对同一材料、同一种结构，使运营环境谱作用的腐蚀量等于其在试验条件下的腐蚀量，把实际环境数据等效成加速环境当量。
优选地，所述应力时程采集模块，具体用于：
根据所述环境当量谱建立大桥有限元模型，并分析得到缆索受力较大缆索构件静力和动力响应较大位置；
监测在响应较大位置和易发生腐蚀的缆索构件的应力时程，或者通过蒙特卡洛法随机抽样模拟缆索系统的应力时程；
运用雨流法处理所监测或所模拟的应力时程以建立荷载谱。
优选地，所述预测模块具体用于：按构成空中局部环境谱的各单一介作用下腐蚀疲劳寿命的试验，按百分比加权组合的方法获得空中腐蚀疲劳影响系数K，进行S-N曲线修正，最后进行腐蚀疲劳寿命预测。
本发明克服现有技术的不足，提供一种大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测方法及系统。本发明中，缆索系统包括斜拉桥或悬索桥的索体构件(钢丝、钢绞线、钢丝绳等)、锚具和过渡构件，通过对大桥缆索内部温度、湿度、PH值和盐分监测，获得缆索系统所处的工作环境；通过环境当量关系建立适合大桥腐蚀疲劳寿命估计的环境加速度谱；通过提取缆索应力时程，建立荷载谱；最后对腐蚀影响系数调整和腐蚀疲劳寿命预测。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明能精确预测大跨缆索系统腐蚀疲劳寿命，具有较强的可操作性；通过本发明能够在其准确预测缆索系统寿命，为大桥的运营和维护提供科学依据，能显著降低大桥维护成本。
附图说明
图1是本发明大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测方法的步骤流程图；
图2是本发明大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
S1、采集内的环境参数，获得缆索系统所处的工作环境
在步骤S1中，所述环境参数包括温度、湿度、PH值和含盐量。缆索包括斜拉桥或悬索桥的索体构件(钢丝、钢绞线、钢丝绳等)、锚具和过渡构件，通过监测缆索内的温度、湿度、PH值和含盐量，正确反映缆索所处的工作环境。
S2、按照腐蚀损伤等效原则，通过环境当量关系建立适合大桥腐蚀疲劳寿命估计的环境加速度谱
在步骤S2中，所述腐蚀损伤等效原则具体为：根据对同一材料、同一种结构，使运营环境谱作用的腐蚀量等于其在试验条件下的腐蚀量，把实际环境数据等效成加速环境当量。
在试验室进行各参数条件组合下的腐蚀加速试验，通过数值分析，得到各种运营环境下加速试验的当量折算关系，建立环境加速度谱(环境当量谱)。
S3、通过提取缆索应力时程，建立荷载谱
步骤S3具体包括以下步骤：
S30、根据所述环境当量谱建立大桥有限元模型，并分析得到缆索受力较大缆索构件静力和动力响应较大位置；
S31、监测在响应较大位置和易发生腐蚀的缆索构件的应力时程，或者通过蒙特卡洛法随机抽样模拟缆索系统的应力时程；
S32、运用雨流法处理所监测或所模拟的应力时程以建立荷载谱。
在步骤S3中，利用缆索构件静动载受力分析模块通过建立大桥有限元模型，通过静载和动力分析，得到大桥缆索受力较大缆索构件静力和动力响应较大位置；在响应较大位置和易发生腐蚀的构件布设传感器，利用在线监测系统缆索应力时程采集模块监测缆索应力时程并存储，然后运用雨流法处理所监测的数据建立荷载谱，或者通过蒙特卡洛随机抽样模拟缆索系统的应力时程，然后运用雨流法处理所模拟数据。
S4、对腐蚀影响系数调整后进行腐蚀疲劳寿命的预测
在步骤S4中，按构成空中局部环境谱的各单一介作用下腐蚀疲劳寿命的试验，按百分比加权组合的方法获得空中腐蚀疲劳影响系数K，进行S-N曲线修正，最后进行腐蚀疲劳寿命预测。
本发明可以准确预测缆索系统的腐蚀疲劳寿命，为大桥的运营和维护提供科学依据。
本发明进一步提供了大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测系统，如图2所示，包括：
环境参数采集模块1，用于采集内的环境参数，获得缆索系统所处的工作环境
在环境参数采集模块1中，所述环境参数包括温度、湿度、PH值和含盐量。缆索包括斜拉桥或悬索桥的索体构件(钢丝、钢绞线、钢丝绳等)、锚具和过渡构件，通过监测缆索内的温度、湿度、PH值和含盐量，正确反映缆索所处的工作环境。
环境当量模块2，用于按照腐蚀损伤等效原则，通过环境当量关系建立适合大桥腐蚀疲劳寿命估计的环境加速度谱
在环境当量模块2中，所述腐蚀损伤等效原则具体为：根据对同一材料、同一种结构，使运营环境谱作用的腐蚀量等于其在试验条件下的腐蚀量，把实际环境数据等效成加速环境当量。
在试验室进行各参数条件组合下的腐蚀加速试验，通过数值分析，得到各种运营环境下加速试验的当量折算关系，建立环境加速度谱(环境当量谱)。
应力时程采集模块3，用于通过提取缆索应力时程，建立荷载谱
在应力时程采集模块3中，利用缆索构件静动载受力分析模块通过建立大桥有限元模型，通过静载和动力分析，得到大桥缆索受力较大缆索构件静力和动力响应较大位置；在响应较大位置和易发生腐蚀的构件布设传感器，利用在线监测系统缆索应力时程采集模块监测缆索应力时程并存储，然后运用雨流法处理所监测的数据建立荷载谱，或者通过蒙特卡洛随机抽样模拟缆索系统的应力时程，然后运用雨流法处理所模拟数据。
预测模块4，用于对腐蚀影响系数调整后进行腐蚀疲劳寿命的预测
在预测模块4中，按构成空中局部环境谱的各单一介作用下腐蚀疲劳寿命的试验，按百分比加权组合的方法获得空中腐蚀疲劳影响系数K，进行S-N曲线修正，最后进行腐蚀疲劳寿命预测。
本发明环境参数采集模块1通过在线监测设备进行大桥缆索内部温度、湿度、PH值和盐分监测，获得缆索系统所处的工作环境；环境当量模块2通过环境当量关系建立适合大桥腐蚀疲劳寿命估计的环境加速度谱；应力时程采集模块3通过在线监测系统提取缆索应力时程，建立荷载谱；预测模块4包括腐蚀影响系数调整和腐蚀疲劳寿命预测，首先通过环境加速度谱获得腐蚀影响系数K，然后进行S-N曲线修正，最后进行腐蚀疲劳寿命预测。本发明可以准确预测缆索系统的腐蚀疲劳寿命，为大桥的运营和维护提供科学依据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、采集内的环境参数，获得缆索系统所处的工作环境；
S2、按照腐蚀损伤等效原则，通过环境当量关系建立适合大桥腐蚀疲劳寿命估计的环境加速度谱；
S3、通过提取缆索应力时程，建立荷载谱；
S4、对腐蚀影响系数调整后进行腐蚀疲劳寿命的预测。
2.如权利要求1所述的大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测方法，其特征在于，在步骤S1中，所述环境参数包括温度、湿度、PH值和含盐量。
3.如权利要求1所述的大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测方法，其特征在于，在步骤S2中，所述腐蚀损伤等效原则具体为：根据对同一材料、同一种结构，使运营环境谱作用的腐蚀量等于其在试验条件下的腐蚀量，把实际环境数据等效成加速环境当量。
4.如权利要求1所述的大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S30、根据所述环境当量谱建立大桥有限元模型，并分析得到缆索受力较大缆索构件静力和动力响应较大位置；
S31、监测在响应较大位置和易发生腐蚀的缆索构件的应力时程，或者通过蒙特卡洛法随机抽样模拟缆索系统的应力时程；
S32、运用雨流法处理所监测或所模拟的应力时程以建立荷载谱。
5.如权利要求1所述的大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：按构成空中局部环境谱的各单一介作用下腐蚀疲劳寿命的试验，按百分比加权组合的方法获得空中腐蚀疲劳影响系数K，进行S-N曲线修正，最后进行腐蚀疲劳寿命预测。
6.一种大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测系统，其特征在于，该系统包括：
环境参数采集模块，用于采集内的环境参数，获得缆索系统所处的工作环境；
环境当量模块，用于按照腐蚀损伤等效原则，通过环境当量关系建立适合大桥腐蚀疲劳寿命估计的环境加速度谱；
应力时程采集模块，用于通过提取缆索应力时程，建立荷载谱；
预测模块，用于对腐蚀影响系数调整后进行腐蚀疲劳寿命的预测。
7.如权利要求6所述的大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测系统，其特征在于，所述环境参数采集模块中，所述环境参数包括温度、湿度、PH值和含盐量。
8.如权利要求6所述的大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测系统，其特征在于，所述环境当量模块中，所述腐蚀损伤等效原则具体为：根据对同一材料、同一种结构，使运营环境谱作用的腐蚀量等于其在试验条件下的腐蚀量，把实际环境数据等效成加速环境当量。
9.如权利要求6所述的大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测系统，其特征在于，所述应力时程采集模块，具体用于：
根据所述环境当量谱建立大桥有限元模型，并分析得到缆索受力较大缆索构件静力和动力响应较大位置；
监测在响应较大位置和易发生腐蚀的缆索构件的应力时程，或者通过蒙特卡洛法随机抽样模拟缆索系统的应力时程；
运用雨流法处理所监测或所模拟的应力时程以建立荷载谱。
10.如权利要求6所述的大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测系统，其特征在于，所述预测模块具体用于：按构成空中局部环境谱的各单一介作用下腐蚀疲劳寿命的试验，按百分比加权组合的方法获得空中腐蚀疲劳影响系数K，进行S-N曲线修正，最后进行腐蚀疲劳寿命预测。
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