基于应变监测数据的钢桥面板疲劳寿命评估研究

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1、58世界桥梁2013，41(2)基于应变监测数据的钢桥面板疲劳寿命评估研究王金霞。肖本林。，王鹏，汪正兴。(1．湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430068；2．中铁大桥局集团桥科院有限公司，湖北武汉430034；3．桥梁结构安全与健康湖北省重点实验室，湖北武汉430034；4．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)摘要：联合结构长期应变监测数据和线弹性断裂力学提出正交异性钢桥面板的疲劳寿命评估方法，以坝陵河大桥钢桥面板的焊接细节为对象开展应用研究。采用Paris方程建立了疲劳极限状态方程，并基于应变监测数据建立桥梁

2、应力幅谱△～，计算等效应力幅△，对正交异性钢桥面板疲劳寿命进行评估，为钢桥面板的维护提供依据。关键词：桥梁工程；长期监测；断裂力学；钢桥面板；焊接；疲劳寿命中图分类号：U441．4文献标志码：A文章编号l1671—7767(2013)02—0058—041引言更科学的疲劳应力谱的获取方式引。本研究利用正交异性钢桥面板(以下简称钢桥面板)结构构桥梁结构健康监测系统设置在钢桥面板焊缝附近的造复杂，在施工过程中焊接产生的残余应力L1以及应变传感器，监测焊缝的实际应力状态，将监测数据直接承受交变车辆荷载的反复作用等综合因素的影引人断裂力学理论评估

3、钢桥面板疲劳寿命。响下，极易出现疲劳裂纹，进而导致结构的承载能力下降，给结构和行车带来安全隐患，并造成桥梁检查2基于断裂力学的疲劳极限状态方程和维修费用的增加。实际的构件在制造和使用过程中，其表面往往存在各种类型的裂纹。带有初始裂纹的构件，在交钢桥面板疲劳寿命评估问题是桥梁工程领域的热点研究课题。近年来，对钢桥面板进行疲劳寿命变荷载的作用下，即使荷载低于材料本身的疲劳强度极限，裂纹也会发生扩展，最终将导致构件断裂，评估，主要是基于疲劳S～N曲线和基于线弹性断裂力学(简称为LEFM)的估算方法_2]。通常s～N此时就需采用断裂力学的方法来研

4、究这类含有初始裂纹的疲劳问题。曲线一般均由模拟真实结构构造的1组试件的试验断裂力学定量计入初始缺陷对疲劳寿命的影数据统计获得，试件保持局部应力场与实际构造相响，以裂纹的尺寸大小和裂纹的扩展速率作为结构同或相似，而一般研究结构疲劳性能时采用光滑试损伤大小的判据来判定带裂纹体亚临界裂纹扩展过件，该方法由于未考虑结构构件的初始裂纹及其扩程中的寿命(剩余寿命)。展，所以其疲劳损伤只是一个抽象的概念，不能清晰基于LEFM的钢桥面板疲劳极限状态方程j，表明疲劳损伤累积过程的物理机理。而基于用于描述疲劳裂纹扩展最常用的模型是ParisLEFM的疲劳评估

5、方法能较好地解决这一问题，方程：LEFM假定构件中存在初始裂纹，能在此基础上预测裂纹的发展，从而得到其疲劳寿命。一c(△K)(1)Q』在钢桥构件的疲劳寿命评估中，获取疲劳应力式中，为裂纹扩展速率，。为裂纹尺寸，N为应力谱至关重要。传统的做法是通过调查统计桥梁交通U』荷载，建立代表桥梁运营状况的车辆交通荷载谱和循环次数；C和为裂纹增长系数；AK为应力强度模拟荷载历程，最终计算疲劳应力谱]。随着结构范围。由LEFM可知：健康监测技术的兴起，利用设置在桥梁关键受力部△K—K⋯一K一Y△d~／7ca(2)位的应变传感器直接采集应力时程，已成为更便

6、捷、式中，Aa为裂纹处应力幅值；y为形状因子，是考虑收稿日期：2012—0228作者简介：王金霞(1983一)，女，2005年毕业于三峡大学水利水电工程专业，工学学士，2012年毕业于湖北工业大学结构工程专业，工学硕士(E—mail：hbhgwjx@126．corn)。60世界桥梁2013，41(2)AaL一0．41Aa(7)裂纹进行维修时的临界尺寸，假定a为0．5倍桥面式中，0．41为变幅应力焊缝连接的折减系数；△为板的厚度，即a一0．8×10In。基准疲劳强度，对于钢桥面板一U形肋这类焊接细3．3．3疲劳寿命评估节，△一50MPa。根

7、据国际焊接学会(IIW)推荐的与材料有关的将Aa的值代人式(7)中，可得Aa一20．5常数，取C一1．58x10，，z一3。MPa。由上述研究内容可以得到钢桥面板焊接细节疲利用疲劳截止限值筛选应力幅及其循环次数，劳断裂极限状态方程的解析表达式。当a—a。时，参照参考文献[11]给出的公式计算等效应力幅N。一0，故式(6)可改写为：Aa：r—一C(A~o)一N≤0(1o)(y、／7fa)”Aa。一(8)将式(10)移项并将等号左、右两边分别积分得：N一————l_——=_(口2-n一口)(11)式中，m为s～N曲线的斜率，对于桥梁焊接构件，

8、(2一)C(YAa√7c)m可取3。另外，N—N×(∑÷31)×365，其中N为钢桥本文选取表1中Aa≥20MPa的应力幅及对应面板焊缝疲劳裂缝尺寸由初始裂纹扩展到临界裂纹循环次数计算各测点的