CN112557504A - 一种装配式钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种装配式钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，它涉及一种测量方法，具体涉及一种桥梁的测量方法，它包括构建力学分析模型、测量主要构件上的初始裂纹、在主要构件上设置应变电阻片、交通荷载统计、建立裂纹应力历程、建立裂纹应力历程修正、计算裂纹的日等效应力幅和裂纹的日等效应力循环次数、确定临界裂纹尺寸、计算裂纹所在构件的使用寿命和计算钢桥的剩余使用寿命等步骤，该测量方法采用断裂力学和统计学分析方法，具有理论可靠、检测方法方便和计算方法简单的特点。

Description

一种装配式钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法
技术领域
本发明涉及桥梁测量技术，具体涉及一种装配式钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法。
背景技术
装配式钢结构桥梁由于结构自重较轻、使用组装方便、整体使用效率高、跨越能力强、抗震性能好等优点，被广泛应用于中、小跨度的桥梁中，但是，由于其构造应力复杂、焊接工艺多，使焊接缺陷难控制，一些隐蔽的裂纹在出厂检测时不容易被发现，经实验数据表明装配式钢结构桥梁的裂纹大部分出现在高强度螺栓连接处、桁架结构连接处，其中钢桥在桁架结构连接处基本都是采用焊接的方式，而焊接结构的连接往往具有较大的刚性，焊接使桁架结构形成连续的整体，一旦裂缝发展，就有可能一断到底，从而使整个桥梁遭到破坏，因此对钢桥裂缝的测量和判断显得尤其重要。
由于装配式钢结构桥梁具有安装使用方便的特点，在过去的20年里，装配式钢结构桥梁得到了广泛的使用，同时由于交通量增加，出现了大荷载、大流量的情况，部分钢桥在当时没有提出对疲劳安全度验算的要求，经常出现许多疲劳强度低的情况，当前部分桥梁以出现疲劳裂纹，导致钢桥的剩余使用寿命和使用安全性问题的出现，但由于经济的原因，这些桥梁要尽可能长地保持运用，这就迫切需要对某些构件进行加强和修补，对这些钢桥进行有目的地定期检测。
目前计算钢桥的剩余使用寿命是依照传统韦勒曲线的方法计算，但该方法依赖于大量的钢桥历史受载数据，由于各种原因当前很多装配式钢结构桥梁无法提供完整的受载数据，这就使得判断钢桥的寿命带来很大的困难。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种装配式钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，它测量方法简便，测量结果可靠，为装配式钢结构桥梁的维护和使用提供了可靠的参考，使钢桥处于可控、可查的安全运营状态。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案是：它包含以下步骤：
(1)构建力学分析模型；
(2)测量主要构件上的初始裂纹；
(3)在主要构件上设置应变电阻片；
(4)交通荷载统计；
(5)建立裂纹应力历程；
(6)建立裂纹应力历程修正；
(7)计算裂纹的日等效应力幅和裂纹的日等效应力循环次数；
(8)确定临界裂纹尺寸；
(9)计算裂纹所在构件的使用寿命；
(10)计算钢桥的剩余使用寿命；
进一步的，所述的步骤(1)中，采用有限元建模的方法，它通过对钢桥结构简化处理、分块构建模型、模型组合和荷载计算等步骤，找出装配式钢结构桥梁受力的主要构件；
进一步的，所述的步骤(2)中，采用超声波无损检测技术，在主要构件上测得初始裂纹a0。
进一步的，所述的步骤(3)中，将应变电阻片设置在初始裂纹两侧。
进一步的，所述的步骤(4)中，将通过装配式钢结构桥梁的交通荷载根据车辆轴重分为轿车、客车和货车三类，并以半小时为单位，对通过钢桥的车辆情况进行30天的观测，观测的内容包括车辆数量和车辆类型，根据观测得到车辆数量和车辆类型统计数据，并根据车辆轴重计算出车辆载重。
进一步的，所述的步骤(5)中，通过步骤(4)中监测得到的每条裂纹两侧的应变电阻片的数据进行平均值计算，并将数据转换为对应裂纹的应力数据，从而得到条纹的应力历程。
进一步的，所述的步骤(6)中，通过步骤(4)得到的交通荷载统计数据，通过统计方法计算得到车辆类型、车辆数量和车辆载重的数学期望和方差，利用统计试验方法建立模拟交通荷载，用稳态正弦波振动的方法来模拟汽车的荷载，根据步骤(1)建立的有限元模型，将模拟出的交通荷载数据代入有限元模型中，计算钢桥各主要构件的应力历程，对比步骤(5)的裂纹应力历程的实测数据，通过比较分析相关差异，最终调整使计算结果与实测数据间的差距控制在10％-15％之间。
进一步的，所述的步骤(7)中，根据步骤(2)选定一条裂纹，并以天为单位，根据雨流计数法计算该条裂纹在第k天的日等效应力幅Δσκ和日等效应力循环次数Nk，根据步骤(4)的监控天数对Δσκ和Nk取平均值，得到日平均等效应力幅
Figure BDA0002796518750000031
和日平均等效应力循环次数
Figure BDA0002796518750000032
进一步的，所述的步骤(8)中，根据断裂力学理论，根据公式
Figure BDA0002796518750000033
式中Kc为材料的应变断裂韧度，根据装配式钢结构桥梁采用类似40Cr材料，查表换算可得应变断裂韧度的值，式中Y为为应力强度因子系数，可从《应力强度因子手册》查得数值，σmax为构件承受的最大应力，可通过对构件有限元分析，得到其数值，式中ac为临界裂纹尺寸，通过对公司
Figure BDA0002796518750000034
转换可得，临界裂纹尺寸
Figure BDA0002796518750000035
进一步的，所述的步骤(9)中，根据修正的Paris公式计算该条裂纹的扩展寿命Nf，其中Paris裂纹扩展速度公式为
(a)
Figure BDA0002796518750000036
对该公式求积分，即
(b)
Figure BDA0002796518750000037
取
Figure BDA0002796518750000038
代入(a)式得，
(c)
Figure BDA0002796518750000039
式中
Figure BDA00027965187500000310
对式(c)积分，可得该条裂纹的扩展寿命为Nf：
(d)
Figure BDA00027965187500000311
式中：m＝3，C为由材料决定的常数。根据公式(d)，可计算的该条纹所在构件的剩余使用寿命Df，
(e)
Figure BDA00027965187500000312
进一步的，所述的步骤(10)中，对监测的每条裂纹重复进行步骤(8)和步骤(9)的过程，并将所取得数据Df的最小值为该装配式钢结构桥梁的剩余使用寿命Dfmin，即Dfmin＝Min(Df)。
本发明的工作原理：本发明利用断裂力学理论分析装配式钢结构桥梁的使用寿命，首先确定钢桥主要受力构件，然后对这些受力构件进行超声波检测，通过超声波检测测得所有这些受力构件存在的初始裂纹数据，在这些构件的初始裂纹两侧，沿应力方向贴上应变电阻片，利用应变电阻片跟随裂纹的发展发生变形，从而得到裂纹的应力历程数据，然后通过选取一定时间段对钢桥的交通荷载情况进行观测，观测的结果通过应力电阻片的形变将裂纹的发展情况记录下来，同时通过统计试验的方法模拟交通荷载，将实测的数据与模拟的数据两者进行对比，得到修正后的裂纹应力历程，选取其中一条裂纹，并计算该条裂纹的日等效应力幅和日等效应力循环次数，根据装配式钢桥材料特点，利用Paris公式计算各裂纹的临界裂纹尺寸，当构件的裂纹发展到达其临界裂纹尺寸时，刚构件将被破坏，使整桥也遭受破坏，最后结合裂纹的临界尺寸，根据裂纹的日发展情况，计算的裂纹发展到临界尺寸所需要的时间，即该天数为裂纹所在构件的使用寿命，最后统计所有的裂纹所在构件的使用寿命，取其最小值为钢桥的剩余使用寿命。
采用上述技术方案后，本发明有益效果为：本发明根据装配式钢结构桥梁的特点，并结合断裂力学理论和修正的交通荷载分析方式，使该对装配式钢结构桥梁寿命的测量方法具有理论可靠、检测方法方便和计算方法简单的特点，利用此方法可以快速测得主要构件和钢桥的使用寿命，为构件加固和钢桥加固带来便利。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
图1是本发明的流程图。
图2是本方面的应变电阻片在裂纹的布置示意图。
附图标记说明：
具体实施方式
参看图1-图2所示，本具体实施方式采用的技术方案是：所述的步骤(1)中，采用有限元建模的方法，它通过对钢桥结构简化处理、分块构建模型、模型组合和荷载计算等步骤，找出装配式钢结构桥梁受力的主要构件；
所述的步骤(2)中，采用超声波无损检测技术，在主要构件上测得初始裂纹a0，通过较安全保守计算，将检测到的可疑点均认为是裂纹，同时a0满足公式：a0＝D+2d，其D为铆钉孔直径，d为超声波探测到的裂纹尺寸。
所述的步骤(3)中，将应变电阻片设置在初始裂纹两侧，应变电阻片为随着裂纹的发展发生形变，而形变将产生不同数值大小的电信号。
所述的步骤(4)中，将通过装配式钢结构桥梁的交通荷载根据车辆轴重分为轿车、客车和货车三类，并以半小时为单位，对通过钢桥的车辆情况进行30天的观测，观测的内容包括车辆数量和车辆类型，根据观测得到车辆数量和车辆类型统计数据，并根据车辆轴重计算出车辆载重。
所述的步骤(5)中，通过步骤(4)中监测得到的每条裂纹两侧的应变电阻片的数据进行平均值计算，并将数据转换为对应裂纹的应力数据，从而得到条纹的应力历程。
所述的步骤(6)中，通过步骤(4)得到的交通荷载统计数据，通过统计方法计算得到车辆类型、车辆数量和车辆载重的数学期望和方差，利用统计试验方法建立模拟交通荷载，用稳态正弦波振动的方法来模拟汽车的荷载，根据步骤(1)建立的有限元模型，将模拟出的交通荷载数据代入有限元模型中，计算钢桥各主要构件的应力历程，对比步骤(5)的裂纹应力历程的实测数据，通过比较分析相关差异，最终调整使计算结果与实测数据间的差距控制在10％-15％之间。
所述的步骤(7)中，根据步骤(2)选定一条裂纹，并以天为单位，根据雨流计数法计算该条裂纹在第k天的日等效应力幅Δσκ和日等效应力循环次数Nk，根据步骤(4)的监控天数对Δσκ和Nk取平均值，得到日平均等效应力幅
Figure BDA0002796518750000061
和日平均等效应力循环次数
Figure BDA0002796518750000062
所述的步骤(8)中，根据断裂力学理论，根据公式
Figure BDA0002796518750000063
式中Kc为材料的应变断裂韧度，根据装配式钢结构桥梁采用类似40Cr材料，查表换算可得应变断裂韧度的值，式中Y为为应力强度因子系数，可从《应力强度因子手册》查得数值，取Y＝1.1215，σmax为构件承受的最大应力，可通过对构件有限元分析得到其数值，式中ac为临界裂纹尺寸，通过对公司
Figure BDA0002796518750000064
转换可得，临界裂纹尺寸
Figure BDA0002796518750000065
所述的步骤(9)中，根据修正的Paris公式计算该条裂纹的扩展寿命Nf，其中Paris裂纹扩展速度公式为
(a)
Figure BDA0002796518750000066
对该公式积分，即
(b)
Figure BDA0002796518750000067
取
Figure BDA0002796518750000068
代入(a)式得，
(c)
Figure BDA0002796518750000069
式中
Figure BDA00027965187500000610
对式(c)积分，可得该条裂纹的扩展寿命为Nf：
(d)
Figure BDA00027965187500000611
式中：m＝3，C为由材料决定的常数,对于钢桥上的高强度螺栓，取C＝6.9×10-12。
根据公式(d)，可计算的该条纹所在构件的剩余使用寿命Df，
(e)
Figure BDA00027965187500000612
所述的步骤(10)中，对监测的每条裂纹重复进行步骤(8)和步骤(9)的过程，并将所取得数据Df的最小值为该装配式钢结构桥梁的剩余使用寿命Dfmin，即Dfmin＝Min(Df)。
本发明利用断裂力学理论分析装配式钢结构桥梁的使用寿命，首先对钢桥整体力学分析，确定钢桥主要受力构件，这些受力构件的寿命直接影响到整桥的使用寿命，然后对这些受力构件进行超声波检测，通过超声波检测测得所有这些受力构件的当前具有的初始裂纹数据，在这些构件的初始裂纹两侧，沿应力方向贴上应变电阻片，利用应变电阻片跟随裂纹的发展发生变形，从而得到裂纹的应力历程数据，然后通过选取一定时间段对钢桥的交通荷载情况进行观测，观测的结果通过应力电阻片的形变将裂纹的发展情况记录下来，同时通过统计试验的方法模拟交通荷载，将实测的数据与模拟的数据两者进行对比，得到修正后的裂纹应力历程，选取其中一条裂纹，并计算该条裂纹的日等效应力幅和日等效应力循环次数，根据装配式钢桥材料特点，利用Paris公式计算各裂纹的临界裂纹尺寸，当构件的裂纹发展到达其临界裂纹尺寸时，刚构件将被破坏，使整桥也遭受破坏，最后结合裂纹的临界尺寸，以裂纹的日等效应力幅和日等效应力循环次数为基数，计算的裂纹发展到临界尺寸所需要的天数，即该天数为裂纹所在构件的使用寿命，最后统计所有的裂纹所在构件的使用寿命，取其最小值为钢桥的剩余使用寿命。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种装配式钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，其特征在于：它包含以下步骤：
(1)构建力学分析模型；
(2)测量主要构件上的初始裂纹；
(3)在主要构件上设置应变电阻片；
(4)交通荷载统计；
(5)建立裂纹应力历程；
(6)建立裂纹应力历程修正；
(7)计算裂纹的日等效应力幅和裂纹的日等效应力循环次数；
(8)确定临界裂纹尺寸；
(9)计算裂纹所在构件的使用寿命；
(10)计算钢桥的剩余使用寿命。
2.根据权利要求1所述的一种装配式钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，采用有限元建模的方法，它通过对钢桥结构简化处理、分块构建模型、模型组合和荷载计算等步骤，找出装配式钢结构桥梁受力的主要构件。
3.根据权利要求1所述的一种装配式钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，采用超声波无损检测技术，在主要构件上测得初始裂纹a0。
4.根据权利要求1所述的一种装配式钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，将应变电阻片设置在初始裂纹两侧。
5.根据权利要求1所述的一种装配式钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，将通过装配式钢结构桥梁的交通荷载根据车辆轴重分为轿车、客车和货车三类，并以半小时为单位，对通过钢桥的车辆情况进行30天的观测，观测的内容包括车辆数量和车辆类型，根据观测得到车辆数量和车辆类型统计数据，并根据车辆轴重计算出车辆载重。
6.根据权利要求1所述的一种装配式钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，其特征在于：所述的步骤(5)中，通过步骤(4)中监测得到的每条裂纹两侧的应变电阻片的数据进行平均值计算，并将数据转换为对应裂纹的应力数据，从而得到条纹的应力历程，所述的步骤(6)中，通过步骤(4)得到的交通荷载统计数据，通过统计方法计算得到车辆类型、车辆数量和车辆载重的数学期望和方差，利用统计试验方法建立模拟交通荷载，用稳态正弦波振动的方法来模拟汽车的荷载，根据步骤(1)建立的有限元模型，将模拟出的交通荷载数据代入有限元模型中，计算钢桥各主要构件的应力历程，对比步骤(5)的裂纹应力历程的实测数据，通过比较分析相关差异，最终调整使计算结果与实测数据间的差距控制在10％-15％之间。
7.根据权利要求1所述的一种装配式钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，其特征在于：所述的步骤(7)中，根据步骤(2)选定一条裂纹，并以天为单位，根据雨流计数法计算该条裂纹在第k天的日等效应力幅Δσκ和日等效应力循环次数Nk，根据步骤(4)的监控天数对Δσκ和Nk取平均值，得到日平均等效应力幅
Figure FDA0002796518740000021
和日平均等效应力循环次数
Figure FDA0002796518740000022
8.根据权利要求1所述的一种装配式钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，其特征在于：所述的步骤(8)中，根据断裂力学理论，根据公式
Figure FDA0002796518740000023
式中Kc为材料的应变断裂韧度，根据装配式钢结构桥梁采用类似40Cr材料，查表换算可得应变断裂韧度的值，式中Y为为应力强度因子系数，可从《应力强度因子手册》查得数值，σmax为构件承受的最大应力，可通过对构件有限元分析，得到其数值，式中ac为临界裂纹尺寸，通过对公司
Figure FDA0002796518740000024
转换可得，临界裂纹尺寸
Figure FDA0002796518740000025
9.根据权利要求1所述的一种装配式钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，其特征在于：所述的步骤(9)中，根据修正的Paris公式计算该条裂纹的扩展寿命Nf，其中Paris裂纹扩展速度公式为
(a)
Figure FDA0002796518740000026
对该公式求积分，即
(b)
Figure FDA0002796518740000031
取
Figure FDA0002796518740000032
代入(a)式得，
(c)
Figure FDA0002796518740000033
式中
Figure FDA0002796518740000034
对式(c)积分，可得该条裂纹的扩展寿命为Nf:
(d)
Figure FDA0002796518740000035
式中：m＝3，C为由材料决定的常数。
根据公式(d)，可计算的该条纹所在构件的剩余使用寿命Df，
(e)
Figure FDA0002796518740000036
。
10.根据权利要求1所述的一种装配式钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，其特征在于：所述的步骤(10)中，对监测的每条裂纹重复进行步骤(8)和步骤(9)的过程，并将所取得数据Df的最小值为该装配式钢结构桥梁的剩余使用寿命Dfmin，即Dfmin＝Min(Df)。
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