CN1862256A - 一种钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法 - Google Patents

Abstract

一种钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，包括一个对钢结构桥梁构件进行超声波探伤的过程，通过实测数据对模拟数据进行修正提高了结构计算的精度，测量方法共分为七个步骤，分别为结构力学建模，力学模型修正，交通荷载建模，交通荷载修正，超声波探伤，构件断裂力学模型建模和桥梁结构技术状态评定。本发明采用超声波横波探伤方法检验结构的损伤程度，并利用断裂力学方法计算结构的剩余寿命，构件荷载历史的影响通过探伤得到，不必再考虑对过去荷载历史的模拟。此外本发明采用实测数据对模拟数据进行修正，保证了结构计算的精确程度，使结构安全得到保证。

Description

一种钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法

技术领域

本发明涉及钢结构桥梁，尤其涉及钢结构桥梁断裂力学的测量方法，特别是一种钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法。

背景技术

调查显示，80％以上的钢桥失效是疲劳以及断裂造成的。我国桥梁至今尚未出现严重疲劳事故，但是这些桥梁的现状也不容乐观。我国有相当一部分的钢桥是解放前建造的，这些钢桥承受着长期的环境腐蚀以及人为破坏，近年来，受到交通量不断提高的影响，普遍存在着较为严重的疲劳隐患。1994年秋的一项统计表明，到当时为止，运营国有铁路中有病害的桥梁达6137座，占总数的18.8％，其中钢梁主要杆件裂损的有163座共329孔；钢梁桥涂装失效达2673孔；墩台裂损或不稳定的有393座计847处。随着交通运量以及车辆轴重的持续增加，这些桥梁失效破坏的可能性将愈来愈大。现有技术中，国内评估钢结构桥梁寿命主要采用韦勒曲线结合Miner损伤累计法进行，此方法具体可为分为如下六个步骤：1、首先建立结构力学模型，计算结构影响线或影响面；2、采用实测交通荷载或者模拟交通荷载的方法确定各主要受力杆件的应力历程；3、采用统计方法(如雨流法或泻水池法)根据应力历程计算得到应力谱；4、确定结构构件的细节分级，确定构件对应的韦勒曲线；5、根据应力谱结合韦勒曲线计算结构受到的疲劳损伤；6、由既有疲劳损伤，推断桥梁剩余寿命。

现有技术中，钢桥寿命计算方法较为简单，但是却面临以下几方面问题需要解决。

建立钢桥结构力学模型依据的是设计图纸，但是结构构件在制作过程中存在施工误差，拚装中又进一步带来其它的误差，而在使用中，结构受到锈蚀，疲劳等环境作用，状态又会进一步改变，这导致所建力学模型与结构实际状态不符。此外，由于钢结构桥梁构造复杂，以现有的计算能力还无法精确模拟结构的所有细部构造，这又加剧了力学模型与结构实际状况的出入。

为了评定桥梁的疲劳损伤状况，必须统计自桥梁运营以来所有时段结构的应力谱。但我国许多钢结构桥梁都是建于解放前的，这些桥梁的历史资料严重缺失，无法推断这些桥梁的历史荷载信息，因此这些桥梁的应力谱数据的可信度不高。如果采用当前运营条件下的应力谱模拟疲劳损伤，则使计算结果过于保守，甚至计算结果显示结构已经破坏。

计算中使用的应力历程可通过现场实测或者模拟得到，但实测仅能得到少数杆件的应力历程，而且肯定无法得到实测前时间段内的应力历程，而采用模拟法，则无法确定模拟的精度，无法对计算误差作出预测。

发明内容

本发明的目的是提供一种钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，所述的这种钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法要解决现有技术中测量钢桥结构寿命方法中存在的不精确、不可靠的技术问题。

本发明的这种钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，包括一个对钢结构桥梁构件进行超声波探伤的过程，其中，在所述的对钢结构桥梁构件进行超声波探伤的过程之前，按顺序进行结构力学的建模步骤、力学模型的修正步骤、交通荷载的建模步骤和交通荷载的修正步骤，在所述的对钢结构桥梁构件进行超声波探伤的过程中，首先确定检测构件，其次架设操作支架，然后确定构件的可能疲劳裂纹源位置，然后再进行超声波探伤检测，并且记录探伤结果，然后整理分析探伤结果，在所述的对钢结构桥梁构件进行超声波探伤的过程完成之后，进行断裂力学模型的建模步骤，然后对钢结构桥梁构件的裂纹扩展寿命和设计规范进行计算，评定钢桥结构技术状态。

进一步的，在所述的结构力学的建模步骤中，包括调查桥梁图纸资料、确定钢桥结构构造细节、结构简化、计算结构几何特征参数和建模的步骤。

进一步的，在所述的力学模型的修正步骤中，包括以下的过程：根据3D力学模型初步确定桥梁的主要受力构件，从主要受力构件中挑选具有代表性的构件作为静动载试验的检测对象，加工构件并在构件表面粘贴应变片，设计加载工况，进行静动载试验以测量各代表性构件的静载应力以及结构挠度和频率，对比模拟数据和实测数据分析差异出现原因并通过改变节点板位置单元的刚度和约束来调整模型，重复调整模型直到计算结果与实测值相差小于15％。

进一步的，在所述的交通荷载的建模步骤中，将交通荷载按轿车、小客车、中客车、大客车、小货车、中货车、大货车分类，以半小时为单位，对通过桥梁的车辆荷载进行交通观测，观测时间为一周，观测内容包括车辆类型、车辆数量、车辆载重，根据统计数据确定车辆类型、车辆数量、车辆载重参数的数学期望和方差，再利用Monte Carlo法建立模拟交通荷载，模拟2个月的交通荷载。按实际统计到的比率模拟各类车辆出现的数量，用极值一型分布模拟车辆轴重，用对数正态分布模拟车辆间距，然后根据有限元模型计算桥梁各构件的影响线或面，按照规范或实测数据计算各杆件的冲击系数，并对采用铆钉或螺栓连接的结构计算结构净截面系数，然后将荷载模型加载于影响线或面，并乘以冲击系数和净截面系数，计算得到各构件的应力历程，最后根据雨流计数法统计结构的疲劳应力谱，统计内容包括应力峰值和谷值、以及应力幅出现的次序。

进一步的，在所述的交通荷载的修正步骤中，利用动载试验测点，实测一昼夜的构件应力历程，采用雨流法统计计算得到构件的实测应力谱，在对数坐标系下比较实测应力谱与模拟应力谱。

进一步的，在所述的断裂力学模型的建模步骤中，首先确定临界构件，其次根据各构件的特点将其模拟为中心开孔构件或两侧开孔构件，确定构件宽度，然后根据模拟应力历程，确定结构可能承受的最大应力，根据最大应力确定结构的临界裂纹长度，然后计算从初始裂纹长度至临界裂纹长度的扩展时间，并判断裂纹扩展时间是否超过设计检测间隔，然后对剩余寿命小于正常检测间隔的构件进行加强。

进一步的，所述的结构简化的步骤是使用3D空间梁单元模拟桁架桥各杆件，将桥面系上的铺装层、钢板以及纵横梁衔接处的焊接角钢、T型钢板等效为桥面系上的结点质量，将人行道下的污水管与自来水管等管线重量均匀分配到附近纵梁的结点上，将桥上桁架中的三角托架部分换算为集中质量加在主桁结点上，将桁架结点位置的粘板、补板、加强板、节点板等板材的重量都作为集中质量加在结点上。

进一步的，所述的对钢结构桥梁构件进行超声波探伤的过程中采用超声波横波探伤方法。

进一步的，构件缀合成份板、角钢并与铆钉的布置形式分别简化到双边裂纹模型和中心裂纹模型，首先分析截面应力，将容易断裂的截面成份隔离出来，再将其简化为有限宽带裂纹板。

具体的，本发明中所述的超声波探伤方法采用工业检测领域的公知技术，在此不再赘述。

本发明与已有技术相对照，其效果是积极和明显的。本发明采用超声波横波探伤方法检验结构的损伤程度，并利用断裂力学方法计算结构的剩余寿命，构件荷载历史的影响通过探伤得到，不必再考虑对过去荷载历史的模拟。此外本发明采用实测数据对模拟数据进行修正，保证了结构计算的精确程度，使结构安全得到保证。

本发明的目的、特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

附图说明

图1是本发明一种钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法的一个优选实施例的模块示意图。

图2是本发明一种钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法的一个优选实施例中的交通荷载的建模步骤中的断裂力学模型简化步骤的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，通过实测数据对模拟数据进行修正提高了结构计算的精度，所述的测量方法共分为七个步骤，分别为结构力学建模1，力学模型修正2，交通荷载建模3，交通荷载修正4，超声波探伤5，构件断裂力学模型建模6和桥梁结构技术状态评定7。

所述的第一步骤1共分为四个部分，第一是调查桥梁图纸资料，确定结构的所有构造细节，第二进行结构简化，第三计算结构几何特征参数，第四进行建模。

第二步骤2共分六个部分，第一是根据3D力学模型初步确定桥梁的主要受力构件，第二从主要受力构件中挑选具有代表性的构件作为静动载试验的检测对象，第三加工构件并在构件表面粘贴应变片，第四设计加载工况，第五进行静动载试验，测量各代表性构件的静载应力，并测定结构挠度和频率，第六对比模拟数据和实测数据，分析出现差异的原因，通过改变节点板位置单元的刚度和约束来调整模型，直到计算结果与实测值相差小于15％。

第三步骤3共分为六个部分，第一将交通荷载按轿车、小客、中客、大客、小货、中货、大货分类，第二以半小时为单位，对通过桥梁的车辆荷载进行交通观测，观测时间为一周，观测内容包括车辆类型、车辆数量、车辆载重，根据统计数据确定这些参数的数学期望和方差，第三用MonteCarlo法建立模拟交通荷载，模拟2个月的交通荷载。按实际统计到的比率模拟各类车辆出现的数量，用极值一型分布模拟车辆轴重，用对数正态分布模拟车辆间距，第四根据有限元模型计算桥梁各构件的影响线(面)，按照规范或实测数据计算各杆件的冲击系数，对采用铆钉或螺栓连接的结构，计算结构的净截面系数，第五将荷载模型加载于影响线(面)，并乘以冲击系数和净截面系数，计算得到各构件的应力历程，第六根据雨流计数法统计结构的疲劳应力谱，统计内容包括应力峰值和谷值，以及应力幅出现的次序。

第四步骤4共分为两个部分，首先利用动载试验测点，实测一昼夜的构件应力历程，采用雨流法统计计算得到构件的实测应力谱，在对数坐标系下比较实测应力谱与模拟应力谱。

第五步骤5共分六个部分，第一确定检测构件，设计检测表格，第二架设支架，保证超声波探伤人员能到达需要探伤的部位，第三确定构件的可能疲劳裂纹源位置，第四涂抹化学浆糊，进行超声波探伤检测，第五记录探伤结果，第六探伤结果整理分析。

第六步骤6分为五个部分，第一确定临界构件，第二根据各构件的特点将其模拟为中心开孔构件或两侧开孔构件，确定构件宽度，第三根据模拟应力历程，确定结构可能承受的最大应力，根据最大应力确定结构的临界裂纹长度，第四计算从初始裂纹长度至临界裂纹长度的扩展时间，并验算裂纹扩展时间是否超过正常可接受的检测间隔，第五对那些剩余寿命小于正常检测间隔的构件进行加强以延长桥梁的剩余寿命，增大检测间隔。

参照国外研究成果，本发明将构件缀合成份板、角钢并与铆钉布置形式分别简化到二种基本断裂力学模型：CCT，DECT。简化过程如图2所示，首先分析截面应力，将容易断裂的截面成份(图中为角钢)隔离出来，再将其简化为有限宽带裂纹板。中心裂纹记为CCT，双边裂纹记为DECT。对这二种基本型式，根据几何比例a/w和作用应力σ_appl可以求出应力强度因子K或J积分值。

可以利用有限元方法作a-J曲线，首先利用对称性，可按CCT与DECT的四分之一进行有限元网格划分，对不同的裂纹长度a，只需改变裂尖局部有限元网格划分。材料采用弹塑性和Mises屈服准则，积分区域选取加密单元区外加外围一圈单元，加密区虚拟函数取常值1.0。再让a不断增加至净截面屈服时的裂纹长度a_N：

CCT：                   a_N＝W(1-σ_max/R_el)

DECT： $a_N=W\sqrt{2.25+4(1-{\mathrm{\σ}}_{\max }/R_{\mathrm{el}})}-1.5W$

按式计算各杆的a_N。如果KI大于KIC，截面存在发生脆断的可能，这时的临界裂纹长度可按下式计算得到：

$a_{\mathrm{cr}}={\left(\frac{K_{\mathrm{IC}}}{{\mathrm{Y\σ}}_{\max }}\right)}^2/\mathrm{\π}$

式中：Y-几何修正因子；

      σ_max-构件承受的最大应力。

按上述计算步骤所得临界裂纹长度必须小于构件成份实际所能承受的最大长度σ_max，对于角钢，试验证实：临界裂纹大小不能超过肢长。按以上的计算分析，最终确定的杆件断裂失效临界裂纹值为：

a_f＝min(a_N，a_cr，a_max)。

考虑裂纹增长区域I的过渡曲线，裂纹增长速度采用下列公式：

$\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{\ΔK}\≤\mathrm{\Δ}{K}_{\mathrm{th}}\\ c({\mathrm{\ΔK}}^m-{\mathrm{\ΔK}}_{\mathrm{th}}^m)& \mathrm{\ΔK}>\mathrm{\Δ}{K}_{\mathrm{th}}\end{array}\right.$

上式中的应力强度因子变程按下式计算：

$\mathrm{\ΔK}=\mathrm{\Δ\σ}\sqrt{\mathrm{\πa}}Y$

对于超声波探测方法，必须考虑有一次漏检的可能性，因此安全系数应取2.0，即将剩余寿命除以2.0可得到探测间隔

第七步骤7进行两方面的结果计算，一是各构件的裂纹扩展寿命，二是按设计规范计算，判断各杆件是否合格，最终通过比较所述的第七步骤中的两方面内容就可以对桥梁的技术状态做出评价。

本发明由于采用超声波横波探伤方法检验结构的损伤程度，并利用断裂力学方法计算结构的剩余寿命，构件荷载历史的影响通过探伤得到，不必再考虑对过去荷载历史的模拟。由于采用实测数据对模拟数据进行修正，保证了结构计算的精确程度，使结构安全得到保证。

Claims (9)

1，一种钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，包括一个对钢结构桥梁构件进行超声波探伤的过程，其特征在于：在所述的对钢结构桥梁构件进行超声波探伤的过程之前，按顺序进行结构力学的建模步骤、力学模型的修正步骤、交通荷载的建模步骤和交通荷载的修正步骤，在所述的对钢结构桥梁构件进行超声波探伤的过程中，首先确定检测构件，其次架设操作支架，然后确定构件的可能疲劳裂纹源位置，然后再进行超声波探伤检测，并且记录探伤结果，然后整理分析探伤结果，在所述的对钢结构桥梁构件进行超声波探伤的过程完成之后，进行断裂力学模型的建模步骤，然后对钢结构桥梁构件的裂纹扩展寿命和设计规范进行计算，评定钢桥结构技术状态。

2，如权利要求1所述的钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，其特征在于：在所述的结构力学的建模步骤中，包括调查桥梁图纸资料、确定钢桥结构构造细节、结构简化、计算结构几何特征参数和建模的步骤。

3，如权利要求1所述的钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，其特征在于：在所述的力学模型的修正步骤中，包括以下的过程：根据3D力学模型初步确定桥梁的主要受力构件，从主要受力构件中挑选具有代表性的构件作为静动载试验的检测对象，加工构件并在构件表面粘贴应变片，设计加载工况，进行静动载试验以测量各代表性构件的静载应力以及结构挠度和频率，对比模拟数据和实测数据分析差异出现原因并通过改变节点板位置单元的刚度和约束来调整模型，重复调整模型直到计算结果与实测值相差小于15％。

4，如权利要求1所述的钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，其特征在于：在所述的交通荷载的建模步骤中，将交通荷载按轿车、小客车、中客车、大客车、小货车、中货车、大货车分类，以半小时为单位，对通过桥梁的车辆荷载进行交通观测，观测时间为一周，观测内容包括车辆类型、车辆数量、车辆载重，根据统计数据确定车辆类型、车辆数量、车辆载重参数的数学期望和方差，再利用Monte Carlo法建立模拟交通荷载，模拟2个月的交通荷载。按实际统计到的比率模拟各类车辆出现的数量，用极值一型分布模拟车辆轴重，用对数正态分布模拟车辆间距，然后根据有限元模型计算桥梁各构件的影响线或面，按照规范或实测数据计算各杆件的冲击系数，并对采用铆钉或螺栓连接的结构计算结构净截面系数，然后将荷载模型加载于影响线或面，并乘以冲击系数和净截面系数，计算得到各构件的应力历程，最后根据雨流计数法统计结构的疲劳应力谱，统计内容包括应力峰值和谷值、以及应力幅出现的次序。

5，如权利要求1所述的钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，其特征在于：在所述的交通荷载的修正步骤中，利用动载试验测点，实测一昼夜的构件应力历程，采用雨流法统计计算得到构件的实测应力谱，在对数坐标系下比较实测应力谱与模拟应力谱。

6，如权利要求1所述的钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，其特征在于：在所述的断裂力学模型的建模步骤中，首先确定临界构件，其次根据各构件的特点将其模拟为中心开孔构件或两侧开孔构件，确定构件宽度，然后根据模拟应力历程，确定结构可能承受的最大应力，根据最大应力确定结构的临界裂纹长度，然后计算从初始裂纹长度至临界裂纹长度的扩展时间，并判断裂纹扩展时间是否超过设计检测间隔，然后对剩余寿命小于正常检测间隔的构件进行加强。

7，如权利要求2所述的钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，其特征在于：所述的结构简化的步骤是使用3D空间梁单元模拟桁架桥各杆件，将桥面系上的铺装层、钢板以及纵横梁衔接处的焊接角钢、T型钢板等效为桥面系上的结点质量，将人行道下的污水管与自来水管等管线重量均匀分配到附近纵梁的结点上，将桥上桁架中的三角托架部分换算为集中质量加在主桁结点上，将桁架结点位置的粘板、补板、加强板、节点板等板材的重量都作为集中质量加在结点上。

8，如权利要求1所述的钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，其特征在于：所述的对钢结构桥梁构件进行超声波探伤的过程中采用超声波横波探伤方法。

9，如权利要求6所述的钢结构桥梁寿命的断裂力学测量方法，其特征在于：构件缀合成份板、角钢并与铆钉的布置形式分别简化到双边裂纹模型和中心裂纹模型，首先分析截面应力，将容易断裂的截面成份隔离出来，再将其简化为有限宽带裂纹板。

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