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桥梁疲劳损伤分析方法-钢桥改进技术

【摘要】:目前,钢桥疲劳损伤有三种分析模型:概率S-N曲线模型、概率断裂力学模型和随机有限元模型。图8.1典型的S-N曲线此后,Fisher[2]通过对多座钢桥疲劳试验数据分析,为各国钢桥疲劳设计规范中的S-N曲线提供了研究基础。

目前,钢桥疲劳损伤有三种分析模型:概率S-N曲线模型、概率断裂力学模型和随机有限元模型。1945年,Miner[1]在对疲劳的累积损伤进行大量试验研究的基础上,提出了Miner线性累积损伤法则,认为变幅荷载作用下结构的损伤与等幅荷载作用下损伤等价,因此可将应力频谱数据与抗力结合用于疲劳损伤分析。疲劳强度S-N曲线表示疲劳寿命与荷载应力之间的关系曲线,是进行钢桥疲劳设计与寿命评估的基础,S-N曲线主要是由大量的等应力幅试验得出。最常用的表达式形式及线性表达式分别为:

Sm·N=C (8.1)

lg S=A+Blg N (8.2)

式中,A、B、C和m均为材料参数。典型的S-N曲线如图8.1所示,在直角坐标系下结构的S-N曲线为一条曲线,在双对数坐标系下S-N曲线接近一条直线。

图8.1 典型的S-N曲线

此后,Fisher[2]通过对多座钢桥疲劳试验数据分析,为各国钢桥疲劳设计规范中的S-N曲线提供了研究基础。美国AASHTO规范[3]、英国BS5400规范[4]、欧洲Eurocode 3规范[5]和中国《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB2005)[6]都采用了在Miner原则基础上的变幅荷载下疲劳应力的修正处理方法。而我国的公路桥梁规范并未对此进行规定,国内研究者往往通过国外规范对钢桥的疲劳寿命进行评估。我国早期对桥梁S-N疲劳曲线的研究主要集中在铁路桥梁方面。成昆铁路建成后,研究者们对该铁路的焊接细节进行了大量的疲劳试验研究[7],并据此制定了铁路钢桥细节容许疲劳应力范围。铁道科学院对芜湖长江大桥的钢桥面板进行了大量的疲劳试验,据此编制了我国铁路桥梁疲劳设计规范。

疲劳可靠度的另一个分析方法是断裂力学方法。Irwin[8]引入了应力强度因子K描述裂纹尖端应力奇异性大小,为线弹性断裂力学(LEFM)计算裂纹扩展寿命奠定了基础。Paris[9]提出了著名的Paris公式,该公式为断裂力学理论在疲劳损伤评估中的应用提供了有利条件。目前,由于疲劳损伤导致钢桥倒塌的事故表明了疲劳裂纹开裂点都起源于含有初始裂纹的地方,因此,基于断裂力学对钢桥疲劳状态评估的关键就是研究初始缺陷条件下裂纹扩展大小。对于钢桥而言,一般均不存在裂纹的萌生阶段,而仅对裂纹的扩展阶段进行研究,因此,采用断裂力学进行疲劳评估的关键就是研究疲劳裂纹的扩展规律并据此估算疲劳寿命。王春生等[10]采用断裂力学方法建立了铆接钢桥的疲劳寿命评估方法,并用于多座桥梁的安全评估中。

大跨度斜拉桥和悬索桥主梁一般采用加劲梁结构,具有较好抗风性能的流线型扁平钢箱梁结构是主要的加劲梁形式。悬索桥钢箱梁的正交异性桥面板在车辆荷载的反复作用下低于极限拉伸强度时会出现疲劳裂纹的萌生和扩展,达到一定程度之后即会突然断裂。桥面板直接承受车轮的反复荷载作用,车载下悬索桥钢箱梁的疲劳问题主要在于钢桥面板。悬索桥钢箱梁的钢桥面板一般采用正交异性桥面板,该桥面板一般是由多个板件(盖板、U肋、模隔板、腹板和纵向加筋肋等)构成的具有多种构造连接形式的焊接结构,其疲劳性能复杂。国内外诸多学者通过试验和数值模拟等方法对该类桥面板进行了研究,取得了一定的研究成果。针对车载下钢箱梁细节疲劳特征,本节将对现有的研究成果进行总结,对S-N曲线、线性累积损伤准则、多国规范的疲劳强度曲线和疲劳应力提取方法进行阐述和讨论,从疲劳强度曲线和疲劳应力分析方法等方面建立车载下钢箱梁细节疲劳分析的数学模型。本章的分析思路如图8.2所示。

图8.2 车载下钢箱梁细节疲劳损伤数学模型的建立流程