在役正交異性鋼橋面板疲勞開裂后剩余使用壽命評估方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種在役正交異性鋼橋面板疲勞開裂后剩余使用壽命評估方法，具體包括：（1）采用無損檢測技術(shù)測得每條裂紋的實際長度a0；（2）采用應(yīng)變傳感器對裂紋兩側(cè)的實際應(yīng)變數(shù)據(jù)進行監(jiān)測；（3）獲得每條裂紋的應(yīng)力歷程數(shù)據(jù)；（4）根據(jù)雨流法和Miner累計準(zhǔn)則計算每條裂紋的日平均等效應(yīng)力幅Δσeq和日平均等效應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Neq；（5）基于剛度、強度準(zhǔn)則，并結(jié)合實際情況確定每條裂紋的允許極限長度ac；（6）基于Paris公式計算每條裂紋的擴展壽命Nc和Dc；（7）取所有裂紋Dc的最小值作為鋼橋面板的剩余疲勞壽命Dc,min。本發(fā)明理論可靠、邏輯清楚、檢測手段、方法簡單。
【專利說明】在役正交異性鋼橋面板疲勞開裂后剩余使用壽命評估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及橋梁健康監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，涉及一種在役正交異性鋼橋面板疲勞開裂后剩余使用壽命評估方法。
【背景技術(shù)】
[0002]正交異性鋼橋面板由于結(jié)構(gòu)自重輕、整體效率高、跨越能力強、抗震性能好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于大、中跨度橋梁結(jié)構(gòu)中。但是，由于構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜、焊接缺陷難控制以及直接承受車輛動力作用等原因，正交異性鋼橋面板也是鋼橋結(jié)構(gòu)中最容易發(fā)生疲勞破壞的部位。自1971年英國Severn橋最早發(fā)現(xiàn)鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞裂紋以來，德國、法國、日本、美國、荷蘭等國相繼出現(xiàn)了鋼橋面板疲勞開裂的報道，我國虎門大橋、海滄大橋、江陰大橋等的正交異性鋼橋面板也已經(jīng)檢測到了大量疲勞裂紋。這些裂紋具有許多共性，并且通常出現(xiàn)在縱肋與面板連接焊縫、縱肋與橫隔板連接焊縫、橫隔板與面板連接焊縫、縱肋對接焊縫等應(yīng)力集中明顯位置。
[0003]正交異性鋼橋面板出現(xiàn)疲勞裂紋之后，毫無疑問其抗疲勞性能將受到較大影響，但也并不表示其完全喪失了結(jié)構(gòu)功能。大量鋼結(jié)構(gòu)疲勞試驗表明，在初始裂紋萌生之后，將出現(xiàn)一個比較穩(wěn)定的疲勞裂紋三向擴展階段，直至結(jié)構(gòu)失效。換言之，鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命是由裂紋形成壽命和裂紋擴展壽命兩部分組成的。因此，開裂初期的正交異性鋼橋面板可能仍然具有可觀的裂紋擴展壽命，這主要取決于這些疲勞裂紋的擴展特性(包括擴展方向和擴展速率)。但目前廣泛用于正交異性鋼橋面板疲勞設(shè)計或驗算的S-N曲線法都是建立在結(jié)構(gòu)不發(fā)生疲勞開裂(即裂紋形成壽命)的基礎(chǔ)上，對開裂后的裂紋擴展壽命則進行了選擇性忽略。也正因為此，當(dāng)實際工程中的正交異性鋼橋面板出現(xiàn)疲勞開裂問題之后，相關(guān)人員無法對其剩余的裂紋擴展壽命進行準(zhǔn)確預(yù)測和評估，從而導(dǎo)致盲目采取開設(shè)止裂孔、裂紋填補修復(fù)、裂紋補強加固等措施，這不僅造成不必要的經(jīng)濟浪費，還有可能對結(jié)構(gòu)帶來二次損傷。但如果對一些關(guān)鍵位置或尺寸超限的裂紋不加處理，也可能給橋梁結(jié)構(gòu)帶來安全隱患或使用障礙。因此，需要建立一種正交異性鋼橋面板疲勞開裂后的剩余使用壽命評估方法，一旦正交異性鋼橋面板出現(xiàn)疲勞裂紋，即可采用該方法對其剩余使用壽命進行快速、準(zhǔn)確評估，然后結(jié)合橋梁實際運營情況，以確定是否可以不修復(fù)繼續(xù)使用或修復(fù)甚至完全更換之后再使用，并進一步對后續(xù)使用、檢測、維護等技術(shù)方案做出科學(xué)決策，這對于確保橋梁在設(shè)計期限內(nèi)正常運營具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種在役正交異性鋼橋面板疲勞開裂后剩余使用壽命評估方法，該方法理論可靠、邏輯清楚、檢測手段、計算方法簡單，可以在橋梁正常運營環(huán)境下，對正交異性鋼橋面板發(fā)生疲勞開裂后的剩余使用壽命進行評估，為橋梁管理人員的方案決策提供參考，確保橋梁處于可查、可控的安全運營狀態(tài)。
[0005]為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種在役正交異性鋼橋面板疲勞開裂后剩余使用壽命評估方法，該方法在裂紋尺寸檢測和應(yīng)變監(jiān)測的基礎(chǔ)上，采用線彈性斷裂力學(xué)方法對正交異性鋼橋面板疲勞開裂后的剩余使用壽命進行評估，包括以下步驟:
[0006](I)采用無損檢測技術(shù)測得每條裂紋的實際長度aQ ；
[0007](2)采用應(yīng)變傳感器對裂紋兩側(cè)的實際應(yīng)變數(shù)據(jù)進行監(jiān)測；
[0008](3)獲得每條裂紋的應(yīng)力歷程數(shù)據(jù)；
[0009](4)根據(jù)雨流法和Miner累計準(zhǔn)則計算每條裂紋的日平均等效應(yīng)力幅Λ σ⑶和日平均等效應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Neq;
[0010](5)基于剛度、強度準(zhǔn)則，并結(jié)合實際情況確定每條裂紋的允許極限長度a。；
[0011](6)基于Paris公式計 算每條裂紋的擴展壽命N。和D。；
[0012](7)取所有裂紋D。的最小值作為鋼橋面板的剩余疲勞壽命De，min。
[0013]優(yōu)選地，所述步驟(1)中，采用無損檢測技術(shù)是采用超聲波無損檢測技術(shù)或斷裂線組件自動監(jiān)測裝置，針對正交異性鋼橋面板所有可能開裂部位進行檢測，得到各條裂紋的頭際長度a。。
[0014]優(yōu)選地，所述步驟(2 )中，采用應(yīng)變傳感器對垂直于裂紋方向的應(yīng)變數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，得到相應(yīng)的應(yīng)變歷程數(shù)據(jù)。
[0015]更優(yōu)選地，所述步驟(2 )中，應(yīng)變傳感器均勻布置在已有裂紋兩側(cè)，當(dāng)裂紋其中一側(cè)緊鄰焊縫時，則只布置在另外一側(cè)。
[0016]更優(yōu)選地，所述步驟(2 )中，應(yīng)變傳感器沿裂紋長度方向布置的數(shù)量和間距可根據(jù)測量精度要求進行調(diào)整，但數(shù)量不少于3個，即應(yīng)保證裂紋尖端和裂紋中部各有I個傳感器。
[0017]優(yōu)選地，所述步驟(2)中，監(jiān)測天數(shù)不少于30天，且后期再次評估時應(yīng)將兩次評估之間的應(yīng)變實測數(shù)據(jù)也納入考慮范圍。
[0018]優(yōu)選地，所述步驟(3)中，對步驟(2)監(jiān)測得到的每條裂紋側(cè)邊所有應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)進行平均，并將應(yīng)變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成應(yīng)力數(shù)據(jù)，得到該條裂紋的應(yīng)力歷程。
[0019]優(yōu)選地，所述步驟(4)中，對步驟(3)得到的裂紋應(yīng)力歷程數(shù)據(jù)，采用雨流計數(shù)法和Miner累計準(zhǔn)則，并以天為單位，計算得到該條裂紋在第i天承受的日等效應(yīng)力幅Λ Oi和日等效應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Ni,并進一步對所有監(jiān)測天數(shù)的σ JPNi實測數(shù)據(jù)進行平均，得到日
平均等效應(yīng)力幅
【權(quán)利要求】
1.一種在役正交異性鋼橋面板疲勞開裂后剩余使用壽命評估方法，其特征在于，該方法在裂紋尺寸檢測和應(yīng)變監(jiān)測的基礎(chǔ)上，采用線彈性斷裂力學(xué)方法對正交異性鋼橋面板疲勞開裂后的剩余使用壽命進行評估，包括以下步驟: (1)采用無損檢測技術(shù)測得每條裂紋的實際長度％； (2)采用應(yīng)變傳感器對裂紋兩側(cè)的實際應(yīng)變數(shù)據(jù)進行監(jiān)測； (3)獲得每條裂紋的應(yīng)力歷程數(shù)據(jù)； (4)根據(jù)雨流法和Miner累計準(zhǔn)則計算每條裂紋的日平均等效應(yīng)力幅ΛOrai和日平均等效應(yīng)力循環(huán)次數(shù)凡，； (5)基于剛度、強度準(zhǔn)則，并結(jié)合實際情況確定每條裂紋的允許極限長度a。； (6)基于Paris公式計算每條裂紋的擴展壽命N。和D。； (7)取所有裂紋D。的最小值作為鋼橋面板的剩余疲勞壽命D。，-。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在役正交異性鋼橋面板疲勞開裂后剩余使用壽命評估方法，其特征在于，所述步驟(1)中，采用無損檢測技術(shù)是采用超聲波無損檢測技術(shù)或斷裂線組件自動監(jiān)測裝置，針對正交異性鋼橋面板所有可能開裂部位進行檢測，得到各條裂紋的實際長度Stl。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在役正交異性鋼橋面板疲勞開裂后剩余使用壽命評估方法，其特征在于，所述步驟(2)中，采用應(yīng)變傳感器對垂直于裂紋方向的應(yīng)變數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，得到相應(yīng)的應(yīng)變歷程數(shù)據(jù)，應(yīng)變傳感器均勻布置在已有裂紋兩側(cè)，當(dāng)裂紋其中一側(cè)緊鄰焊縫時，則只布置在另外一側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種在役正交異性鋼橋面板疲勞開裂后剩余使用壽命評估方法，其特征在于，所述步驟(2)中，應(yīng)變傳感器沿裂紋長度方向布置的數(shù)量和間距可根據(jù)測量精度要求進行調(diào)整，但數(shù)量不少于3個，即應(yīng)保證裂紋尖端和裂紋中部各有I個傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種在役正交異性鋼橋面板疲勞開裂后剩余使用壽命評估方法，其特征在于，所述步驟(2)中，監(jiān)測天數(shù)不少于30天，且后期再次評估時應(yīng)將兩次評估之間的應(yīng)變實測數(shù)據(jù)也納入考慮范圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在役正交異性鋼橋面板疲勞開裂后剩余使用壽命評估方法，其特征在于，所述步驟(3)中，對步驟(2)監(jiān)測得到的每條裂紋側(cè)邊所有應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)進行平均，并將應(yīng)變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成應(yīng)力數(shù)據(jù)，得到該條裂紋的應(yīng)力歷程。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的一種在役正交異性鋼橋面板疲勞開裂后剩余使用壽命評估方法，其特征在于，所述步驟(4)中，對步驟(3)得到的裂紋應(yīng)力歷程數(shù)據(jù)，采用雨流計數(shù)法和Miner累計準(zhǔn)則，并以天為單位，計算得到該條裂紋在第i天承受的日等效應(yīng)力幅Λ σ 1和日等效應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Ni,并進一步對所有監(jiān)測天數(shù)的(^和隊實測數(shù)據(jù)進行平均，得到日平均等效應(yīng)力幅
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的一種在役正交異性鋼橋面板疲勞開裂后剩余使用壽命評估方法，其特征在于，所述步驟(5)中，根據(jù)裂紋長度對構(gòu)造細(xì)節(jié)剛度和強度的影響規(guī)律，并結(jié)合實際情況，確定該條裂紋所允許的極限長度a。。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的一種在役正交異性鋼橋面板疲勞開裂后剩余使用壽命評估方法，其特征在于，所述步驟(6)中，基于Paris公式計算該條裂紋的擴展壽命N。: 當(dāng)裂紋僅一端擴展時
10.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的一種在役正交異性鋼橋面板疲勞開裂后剩余使用壽命評估方法，其特征在于，所述步驟(7)中，對每條裂紋重復(fù)以上步驟(4)~(6)，并取所有裂紋的最小值作為正交異性鋼橋面板的剩余使用壽命Dc^min=Iiiin(Dc)。
【文檔編號】G01M99/00GK103940626SQ201410130117
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】程斌, 湯維力 申請人:上海交通大學(xué)