一種鋼結構橋梁壽命的斷裂力學測量方法
2023-06-13 20:21:51
專利名稱：一種鋼結構橋梁壽命的斷裂力學測量方法
技術領域：
本發明涉及鋼結構橋梁，尤其涉及鋼結構橋梁斷裂力學的測量方法，特別是一種鋼結構橋梁壽命的斷裂力學測量方法。
背景技術：
調查顯示，80％以上的鋼橋失效是疲勞以及斷裂造成的。我國橋梁至今尚未出現嚴重疲勞事故，但是這些橋梁的現狀也不容樂觀。我國有相當一部分的鋼橋是解放前建造的，這些鋼橋承受著長期的環境腐蝕以及人為破壞，近年來，受到交通量不斷提高的影響，普遍存在著較為嚴重的疲勞隱患。1994年秋的一項統計表明，到當時為止，運營國有鐵路中有病害的橋梁達6137座，佔總數的18.8％，其中鋼梁主要杆件裂損的有163座共329孔；鋼梁橋塗裝失效達2673孔；墩臺裂損或不穩定的有393座計847處。隨著交通運量以及車輛軸重的持續增加，這些橋梁失效破壞的可能性將愈來愈大。現有技術中，國內評估鋼結構橋梁壽命主要採用韋勒曲線結合Miner損傷累計法進行，此方法具體可為分為如下六個步驟1、首先建立結構力學模型，計算結構影響線或影響面；2、採用實測交通荷載或者模擬交通荷載的方法確定各主要受力杆件的應力歷程；3、採用統計方法(如雨流法或瀉水池法)根據應力歷程計算得到應力譜；4、確定結構構件的細節分級，確定構件對應的韋勒曲線；5、根據應力譜結合韋勒曲線計算結構受到的疲勞損傷；6、由既有疲勞損傷，推斷橋梁剩餘壽命。
現有技術中，鋼橋壽命計算方法較為簡單，但是卻面臨以下幾方面問題需要解決。
建立鋼橋結構力學模型依據的是設計圖紙，但是結構構件在製作過程中存在施工誤差，拚裝中又進一步帶來其它的誤差，而在使用中，結構受到鏽蝕，疲勞等環境作用，狀態又會進一步改變，這導致所建力學模型與結構實際狀態不符。此外，由於鋼結構橋梁構造複雜，以現有的計算能力還無法精確模擬結構的所有細部構造，這又加劇了力學模型與結構實際狀況的出入。
為了評定橋梁的疲勞損傷狀況，必須統計自橋梁運營以來所有時段結構的應力譜。但我國許多鋼結構橋梁都是建於解放前的，這些橋梁的歷史資料嚴重缺失，無法推斷這些橋梁的歷史荷載信息，因此這些橋梁的應力譜數據的可信度不高。如果採用當前運營條件下的應力譜模擬疲勞損傷，則使計算結果過於保守，甚至計算結果顯示結構已經破壞。
計算中使用的應力歷程可通過現場實測或者模擬得到，但實測僅能得到少數杆件的應力歷程，而且肯定無法得到實測前時間段內的應力歷程，而採用模擬法，則無法確定模擬的精度，無法對計算誤差作出預測。
發明內容
本發明的目的是提供一種鋼結構橋梁壽命的斷裂力學測量方法，所述的這種鋼結構橋梁壽命的斷裂力學測量方法要解決現有技術中測量鋼橋結構壽命方法中存在的不精確、不可靠的技術問題。
本發明的這種鋼結構橋梁壽命的斷裂力學測量方法，包括一個對鋼結構橋梁構件進行超聲波探傷的過程，其中，在所述的對鋼結構橋梁構件進行超聲波探傷的過程之前，按順序進行結構力學的建模步驟、力學模型的修正步驟、交通荷載的建模步驟和交通荷載的修正步驟，在所述的對鋼結構橋梁構件進行超聲波探傷的過程中，首先確定檢測構件，其次架設操作支架，然後確定構件的可能疲勞裂紋源位置，然後再進行超聲波探傷檢測，並且記錄探傷結果，然後整理分析探傷結果，在所述的對鋼結構橋梁構件進行超聲波探傷的過程完成之後，進行斷裂力學模型的建模步驟，然後對鋼結構橋梁構件的裂紋擴展壽命和設計規範進行計算，評定鋼橋結構技術狀態。
進一步的，在所述的結構力學的建模步驟中，包括調查橋梁圖紙資料、確定鋼橋結構構造細節、結構簡化、計算結構幾何特徵參數和建模的步驟。
進一步的，在所述的力學模型的修正步驟中，包括以下的過程根據3D力學模型初步確定橋梁的主要受力構件，從主要受力構件中挑選具有代表性的構件作為靜動載試驗的檢測對象，加工構件並在構件表面粘貼應變片，設計加載工況，進行靜動載試驗以測量各代表性構件的靜載應力以及結構撓度和頻率，對比模擬數據和實測數據分析差異出現原因並通過改變節點板位置單元的剛度和約束來調整模型，重複調整模型直到計算結果與實測值相差小於15％。
進一步的，在所述的交通荷載的建模步驟中，將交通荷載按轎車、小客車、中客車、大客車、小貨車、中貨車、大貨車分類，以半小時為單位，對通過橋梁的車輛荷載進行交通觀測，觀測時間為一周，觀測內容包括車輛類型、車輛數量、車輛載重，根據統計數據確定車輛類型、車輛數量、車輛載重參數的數學期望和方差，再利用Monte Carlo法建立模擬交通荷載，模擬2個月的交通荷載。按實際統計到的比率模擬各類車輛出現的數量，用極值一型分布模擬車輛軸重，用對數正態分布模擬車輛間距，然後根據有限元模型計算橋梁各構件的影響線或面，按照規範或實測數據計算各杆件的衝擊係數，並對採用鉚釘或螺栓連接的結構計算結構淨截面係數，然後將荷載模型加載於影響線或面，並乘以衝擊係數和淨截面係數，計算得到各構件的應力歷程，最後根據雨流計數法統計結構的疲勞應力譜，統計內容包括應力峰值和谷值、以及應力幅出現的次序。
進一步的，在所述的交通荷載的修正步驟中，利用動載試驗測點，實測一晝夜的構件應力歷程，採用雨流法統計計算得到構件的實測應力譜，在對數坐標系下比較實測應力譜與模擬應力譜。
進一步的，在所述的斷裂力學模型的建模步驟中，首先確定臨界構件，其次根據各構件的特點將其模擬為中心開孔構件或兩側開孔構件，確定構件寬度，然後根據模擬應力歷程，確定結構可能承受的最大應力，根據最大應力確定結構的臨界裂紋長度，然後計算從初始裂紋長度至臨界裂紋長度的擴展時間，並判斷裂紋擴展時間是否超過設計檢測間隔，然後對剩餘壽命小於正常檢測間隔的構件進行加強。
進一步的，所述的結構簡化的步驟是使用3D空間梁單元模擬桁架橋各杆件，將橋面系上的鋪裝層、鋼板以及縱橫梁銜接處的焊接角鋼、T型鋼板等效為橋面系上的結點質量，將人行道下的汙水管與自來水管等管線重量均勻分配到附近縱梁的結點上，將橋上桁架中的三角託架部分換算為集中質量加在主桁結點上，將桁架結點位置的粘板、補板、加強板、節點板等板材的重量都作為集中質量加在結點上。
進一步的，所述的對鋼結構橋梁構件進行超聲波探傷的過程中採用超聲波橫波探傷方法。
進一步的，構件綴合成份板、角鋼並與鉚釘的布置形式分別簡化到雙邊裂紋模型和中心裂紋模型，首先分析截面應力，將容易斷裂的截面成份隔離出來，再將其簡化為有限寬帶裂紋板。
具體的，本發明中所述的超聲波探傷方法採用工業檢測領域的公知技術，在此不再贅述。
本發明與已有技術相對照，其效果是積極和明顯的。本發明採用超聲波橫波探傷方法檢驗結構的損傷程度，並利用斷裂力學方法計算結構的剩餘壽命，構件荷載歷史的影響通過探傷得到，不必再考慮對過去荷載歷史的模擬。此外本發明採用實測數據對模擬數據進行修正，保證了結構計算的精確程度，使結構安全得到保證。
本發明的目的、特徵及優點將通過實施例結合附圖進行詳細說明。
圖1是本發明一種鋼結構橋梁壽命的斷裂力學測量方法的一個優選實施例的模塊示意圖。
圖2是本發明一種鋼結構橋梁壽命的斷裂力學測量方法的一個優選實施例中的交通荷載的建模步驟中的斷裂力學模型簡化步驟的流程示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明一種鋼結構橋梁壽命的斷裂力學測量方法，通過實測數據對模擬數據進行修正提高了結構計算的精度，所述的測量方法共分為七個步驟，分別為結構力學建模1，力學模型修正2，交通荷載建模3，交通荷載修正4，超聲波探傷5，構件斷裂力學模型建模6和橋梁結構技術狀態評定7。
所述的第一步驟1共分為四個部分，第一是調查橋梁圖紙資料，確定結構的所有構造細節，第二進行結構簡化，第三計算結構幾何特徵參數，第四進行建模。
第二步驟2共分六個部分，第一是根據3D力學模型初步確定橋梁的主要受力構件，第二從主要受力構件中挑選具有代表性的構件作為靜動載試驗的檢測對象，第三加工構件並在構件表面粘貼應變片，第四設計加載工況，第五進行靜動載試驗，測量各代表性構件的靜載應力，並測定結構撓度和頻率，第六對比模擬數據和實測數據，分析出現差異的原因，通過改變節點板位置單元的剛度和約束來調整模型，直到計算結果與實測值相差小於15％。
第三步驟3共分為六個部分，第一將交通荷載按轎車、小客、中客、大客、小貨、中貨、大貨分類，第二以半小時為單位，對通過橋梁的車輛荷載進行交通觀測，觀測時間為一周，觀測內容包括車輛類型、車輛數量、車輛載重，根據統計數據確定這些參數的數學期望和方差，第三用MonteCarlo法建立模擬交通荷載，模擬2個月的交通荷載。按實際統計到的比率模擬各類車輛出現的數量，用極值一型分布模擬車輛軸重，用對數正態分布模擬車輛間距，第四根據有限元模型計算橋梁各構件的影響線(面)，按照規範或實測數據計算各杆件的衝擊係數，對採用鉚釘或螺栓連接的結構，計算結構的淨截面係數，第五將荷載模型加載於影響線(面)，並乘以衝擊係數和淨截面係數，計算得到各構件的應力歷程，第六根據雨流計數法統計結構的疲勞應力譜，統計內容包括應力峰值和谷值，以及應力幅出現的次序。
第四步驟4共分為兩個部分，首先利用動載試驗測點，實測一晝夜的構件應力歷程，採用雨流法統計計算得到構件的實測應力譜，在對數坐標系下比較實測應力譜與模擬應力譜。
第五步驟5共分六個部分，第一確定檢測構件，設計檢測表格，第二架設支架，保證超聲波探傷人員能到達需要探傷的部位，第三確定構件的可能疲勞裂紋源位置，第四塗抹化學漿糊，進行超聲波探傷檢測，第五記錄探傷結果，第六探傷結果整理分析。
第六步驟6分為五個部分，第一確定臨界構件，第二根據各構件的特點將其模擬為中心開孔構件或兩側開孔構件，確定構件寬度，第三根據模擬應力歷程，確定結構可能承受的最大應力，根據最大應力確定結構的臨界裂紋長度，第四計算從初始裂紋長度至臨界裂紋長度的擴展時間，並驗算裂紋擴展時間是否超過正常可接受的檢測間隔，第五對那些剩餘壽命小於正常檢測間隔的構件進行加強以延長橋梁的剩餘壽命，增大檢測間隔。
參照國外研究成果，本發明將構件綴合成份板、角鋼並與鉚釘布置形式分別簡化到二種基本斷裂力學模型CCT，DECT。簡化過程如圖2所示，首先分析截面應力，將容易斷裂的截面成份(圖中為角鋼)隔離出來，再將其簡化為有限寬帶裂紋板。中心裂紋記為CCT，雙邊裂紋記為DECT。對這二種基本型式，根據幾何比例a/w和作用應力σappl可以求出應力強度因子K或J積分值。
可以利用有限元方法作a-J曲線，首先利用對稱性，可按CCT與DECT的四分之一進行有限元網格劃分，對不同的裂紋長度a，只需改變裂尖局部有限元網格劃分。材料採用彈塑性和Mises屈服準則，積分區域選取加密單元區外加外圍一圈單元，加密區虛擬函數取常值1.0。再讓a不斷增加至淨截面屈服時的裂紋長度aNCCT aN＝W(1-σmax/Rel)DECTaN=W2.25+4(1-max/Rel)-1.5W]]>按式計算各杆的aN。如果KI大於KIC，截面存在發生脆斷的可能，這時的臨界裂紋長度可按下式計算得到acr=(KICYmax)2/]]>式中Y-幾何修正因子；σmax-構件承受的最大應力。
按上述計算步驟所得臨界裂紋長度必須小於構件成份實際所能承受的最大長度σmax，對於角鋼，試驗證實臨界裂紋大小不能超過肢長。按以上的計算分析，最終確定的杆件斷裂失效臨界裂紋值為af＝min(aN，acr，amax)。
考慮裂紋增長區域I的過渡曲線，裂紋增長速度採用下列公式dadN=0KKthc(Km-Kthm)K>Kth]]>上式中的應力強度因子變程按下式計算
K=aY]]>對於超聲波探測方法，必須考慮有一次漏檢的可能性，因此安全係數應取2.0，即將剩餘壽命除以2.0可得到探測間隔第七步驟7進行兩方面的結果計算，一是各構件的裂紋擴展壽命，二是按設計規範計算，判斷各杆件是否合格，最終通過比較所述的第七步驟中的兩方面內容就可以對橋梁的技術狀態做出評價。
本發明由於採用超聲波橫波探傷方法檢驗結構的損傷程度，並利用斷裂力學方法計算結構的剩餘壽命，構件荷載歷史的影響通過探傷得到，不必再考慮對過去荷載歷史的模擬。由於採用實測數據對模擬數據進行修正，保證了結構計算的精確程度，使結構安全得到保證。
權利要求
1，一種鋼結構橋梁壽命的斷裂力學測量方法，包括一個對鋼結構橋梁構件進行超聲波探傷的過程，其特徵在於在所述的對鋼結構橋梁構件進行超聲波探傷的過程之前，按順序進行結構力學的建模步驟、力學模型的修正步驟、交通荷載的建模步驟和交通荷載的修正步驟，在所述的對鋼結構橋梁構件進行超聲波探傷的過程中，首先確定檢測構件，其次架設操作支架，然後確定構件的可能疲勞裂紋源位置，然後再進行超聲波探傷檢測，並且記錄探傷結果，然後整理分析探傷結果，在所述的對鋼結構橋梁構件進行超聲波探傷的過程完成之後，進行斷裂力學模型的建模步驟，然後對鋼結構橋梁構件的裂紋擴展壽命和設計規範進行計算，評定鋼橋結構技術狀態。
2，如權利要求1所述的鋼結構橋梁壽命的斷裂力學測量方法，其特徵在於在所述的結構力學的建模步驟中，包括調查橋梁圖紙資料、確定鋼橋結構構造細節、結構簡化、計算結構幾何特徵參數和建模的步驟。
3，如權利要求1所述的鋼結構橋梁壽命的斷裂力學測量方法，其特徵在於在所述的力學模型的修正步驟中，包括以下的過程根據3D力學模型初步確定橋梁的主要受力構件，從主要受力構件中挑選具有代表性的構件作為靜動載試驗的檢測對象，加工構件並在構件表面粘貼應變片，設計加載工況，進行靜動載試驗以測量各代表性構件的靜載應力以及結構撓度和頻率，對比模擬數據和實測數據分析差異出現原因並通過改變節點板位置單元的剛度和約束來調整模型，重複調整模型直到計算結果與實測值相差小於15％。
4，如權利要求1所述的鋼結構橋梁壽命的斷裂力學測量方法，其特徵在於在所述的交通荷載的建模步驟中，將交通荷載按轎車、小客車、中客車、大客車、小貨車、中貨車、大貨車分類，以半小時為單位，對通過橋梁的車輛荷載進行交通觀測，觀測時間為一周，觀測內容包括車輛類型、車輛數量、車輛載重，根據統計數據確定車輛類型、車輛數量、車輛載重參數的數學期望和方差，再利用Monte Carlo法建立模擬交通荷載，模擬2個月的交通荷載。按實際統計到的比率模擬各類車輛出現的數量，用極值一型分布模擬車輛軸重，用對數正態分布模擬車輛間距，然後根據有限元模型計算橋梁各構件的影響線或面，按照規範或實測數據計算各杆件的衝擊係數，並對採用鉚釘或螺栓連接的結構計算結構淨截面係數，然後將荷載模型加載於影響線或面，並乘以衝擊係數和淨截面係數，計算得到各構件的應力歷程，最後根據雨流計數法統計結構的疲勞應力譜，統計內容包括應力峰值和谷值、以及應力幅出現的次序。
5，如權利要求1所述的鋼結構橋梁壽命的斷裂力學測量方法，其特徵在於在所述的交通荷載的修正步驟中，利用動載試驗測點，實測一晝夜的構件應力歷程，採用雨流法統計計算得到構件的實測應力譜，在對數坐標系下比較實測應力譜與模擬應力譜。
6，如權利要求1所述的鋼結構橋梁壽命的斷裂力學測量方法，其特徵在於在所述的斷裂力學模型的建模步驟中，首先確定臨界構件，其次根據各構件的特點將其模擬為中心開孔構件或兩側開孔構件，確定構件寬度，然後根據模擬應力歷程，確定結構可能承受的最大應力，根據最大應力確定結構的臨界裂紋長度，然後計算從初始裂紋長度至臨界裂紋長度的擴展時間，並判斷裂紋擴展時間是否超過設計檢測間隔，然後對剩餘壽命小於正常檢測間隔的構件進行加強。
7，如權利要求2所述的鋼結構橋梁壽命的斷裂力學測量方法，其特徵在於所述的結構簡化的步驟是使用3D空間梁單元模擬桁架橋各杆件，將橋面系上的鋪裝層、鋼板以及縱橫梁銜接處的焊接角鋼、T型鋼板等效為橋面系上的結點質量，將人行道下的汙水管與自來水管等管線重量均勻分配到附近縱梁的結點上，將橋上桁架中的三角託架部分換算為集中質量加在主桁結點上，將桁架結點位置的粘板、補板、加強板、節點板等板材的重量都作為集中質量加在結點上。
8，如權利要求1所述的鋼結構橋梁壽命的斷裂力學測量方法，其特徵在於所述的對鋼結構橋梁構件進行超聲波探傷的過程中採用超聲波橫波探傷方法。
9，如權利要求6所述的鋼結構橋梁壽命的斷裂力學測量方法，其特徵在於構件綴合成份板、角鋼並與鉚釘的布置形式分別簡化到雙邊裂紋模型和中心裂紋模型，首先分析截面應力，將容易斷裂的截面成份隔離出來，再將其簡化為有限寬帶裂紋板。
全文摘要
一種鋼結構橋梁壽命的斷裂力學測量方法，包括一個對鋼結構橋梁構件進行超聲波探傷的過程，通過實測數據對模擬數據進行修正提高了結構計算的精度，測量方法共分為七個步驟，分別為結構力學建模，力學模型修正，交通荷載建模，交通荷載修正，超聲波探傷，構件斷裂力學模型建模和橋梁結構技術狀態評定。本發明採用超聲波橫波探傷方法檢驗結構的損傷程度，並利用斷裂力學方法計算結構的剩餘壽命，構件荷載歷史的影響通過探傷得到，不必再考慮對過去荷載歷史的模擬。此外本發明採用實測數據對模擬數據進行修正，保證了結構計算的精確程度，使結構安全得到保證。
文檔編號G01M5/00GK1862256SQ20051002571
公開日2006年11月15日 申請日期2005年5月10日 優先權日2005年5月10日
發明者袁文平, 陳惟珍, 商國平 申請人:上海市市政工程管理處