本發(fā)明涉及一種計算方法，尤其涉及一種焊接鋼橋結(jié)構(gòu)的疲勞壽命計算方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代大跨度橋梁大多采用鋼橋，例如從1997年中國虎門大橋首次采用鋼箱梁橋以來，中國的跨江、跨海大橋普遍采用大跨鋼箱梁橋。這些大橋是中國的交通樞紐，承擔(dān)著巨大的車輛通行壓力。然而，自從這些橋梁運(yùn)營以來，鋼橋疲勞開裂問題就一直困擾著這些橋梁。在中國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的兩個區(qū)域，珠三角和長三角，有兩座橋梁最典型?；㈤T大橋1997年通車，5年后就疲勞開裂；江陰大橋1999年通車，9年后也發(fā)現(xiàn)了疲勞裂紋。鋼橋的過早疲勞開裂問題導(dǎo)致了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。然而，這些鋼橋的焊接細(xì)節(jié)采用歐洲、美國或者中國等國內(nèi)外鋼橋疲勞設(shè)計規(guī)范計算的疲勞壽命都遠(yuǎn)大于橋梁設(shè)計使用壽命100年，這表明現(xiàn)有鋼橋疲勞設(shè)計規(guī)范過高估計了焊接細(xì)節(jié)的疲勞壽命。因而急需提出一種能夠準(zhǔn)確計算估焊接鋼橋結(jié)構(gòu)疲勞壽命的方法。
現(xiàn)有鋼橋疲勞設(shè)計規(guī)范認(rèn)為焊接細(xì)節(jié)的疲勞壽命僅與應(yīng)力幅有關(guān)，而與平均應(yīng)力無關(guān)，然后通過大量不同焊接類型的實驗獲得各類焊接細(xì)節(jié)的s-n曲線模型，再依據(jù)應(yīng)力幅計算疲勞壽命。實際上，鋼材的疲勞壽命是由應(yīng)力幅和平均應(yīng)力共同影響的。
應(yīng)該注意，上面對技術(shù)背景的介紹只是為了方便對本申請的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的說明，并方便本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解而闡述的。不能僅僅因為這些方案在本申請的背景技術(shù)部分進(jìn)行了闡述而認(rèn)為上述技術(shù)方案為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知。。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
技術(shù)問題：本發(fā)明提供了一種焊接鋼橋結(jié)構(gòu)的疲勞壽命計算方法，以準(zhǔn)確考慮平均應(yīng)力效應(yīng)對焊接鋼橋疲勞壽命的影響，克服現(xiàn)有鋼橋疲勞設(shè)計規(guī)范對疲勞壽命估計過高的弊端。
技術(shù)方案：本發(fā)明的一種焊接鋼橋結(jié)構(gòu)的疲勞壽命計算方法，包括：
s1：建立考慮平均應(yīng)力修正的鋼材疲勞抗力的全空間s-n曲線模型；
s2：考慮焊接殘余應(yīng)力和車輛荷載應(yīng)力的耦合效應(yīng)，計算鋼橋焊接細(xì)節(jié)的真實應(yīng)力時程；
s3：利用雨流計數(shù)法對所述真實應(yīng)力時程進(jìn)行處理，并基于處理結(jié)果計算應(yīng)力幅、平均應(yīng)力和單次通車下的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；
s4：利用建立的所述考慮平均應(yīng)力修正的全空間s-n曲線模型，計算與所述應(yīng)力幅、平均應(yīng)力相對應(yīng)的總應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；
s5：基于所述單次通車下的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)以及總應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，計算鋼橋焊接細(xì)節(jié)的疲勞壽命。
進(jìn)一步的，所述建立考慮平均應(yīng)力修正的鋼材疲勞抗力的全空間s-n曲線模型具體包括：
s11：建立對稱循環(huán)下鋼材的全空間s-n曲線模型的基本公式：
σ-1＝a(n+b)b+c(1)
式中，σ-1為對稱循環(huán)下的應(yīng)力幅，n為所述應(yīng)力幅對應(yīng)的疲勞壽命，參數(shù)a,c,b參見式(2)，參數(shù)b與材料有關(guān)；
其中，
σk＝0.5σu(5)
式中，σu為材料的極限拉伸強(qiáng)度，hv為材料硬度；1,σu分別為所述曲線模型的起始點對應(yīng)的疲勞壽命和應(yīng)力幅；nk,σk分別為所述曲線模型的第二個拐點對應(yīng)的疲勞壽命和應(yīng)力幅；ngcf,σgcf分別為所述曲線模型的終止點對應(yīng)的疲勞壽命和應(yīng)力幅；
s12：goodman方程如式(6)所示：
(σ/σ-1)+(σm/σs)＝1(6)
式中，σs為材料屈服強(qiáng)度；σ-1是對稱循環(huán)下的應(yīng)力幅；σ和σm是任意循環(huán)下的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力；
s13：由式(6)解出σ-1，如式(7)所示：
s14：根據(jù)(7)式和(1)式，即得考慮平均應(yīng)力σm修正的全空間s-n曲線模型，如式(8)：
進(jìn)一步的，所述步驟s2，具體包括：根據(jù)鋼橋結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙，首先建立包含焊接細(xì)節(jié)的全橋有限元模型，進(jìn)而采用生死單元技術(shù)和熱-結(jié)構(gòu)耦合方法進(jìn)行焊接細(xì)節(jié)的焊接過程模擬，焊接過程模擬完成后，繼續(xù)施加車輛荷載，考慮焊接殘余應(yīng)力和車輛荷載應(yīng)力的耦合效應(yīng)，得到焊接細(xì)節(jié)的真實應(yīng)力時程σt。
進(jìn)一步的，所述步驟s5根據(jù)公式(9)計算鋼橋焊接細(xì)節(jié)的疲勞壽命t：
其中，m為每年車流量，單位次/年，ni為單次通車下的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，ni為平均應(yīng)力相對應(yīng)的總應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。
有益效果：本發(fā)明具有以下有益效果：
(1)本方法準(zhǔn)確考慮了平均應(yīng)力效應(yīng)對焊接鋼橋結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響，而現(xiàn)有鋼橋疲勞設(shè)計規(guī)范忽略了平均應(yīng)力的影響，導(dǎo)致了現(xiàn)有鋼橋疲勞設(shè)計規(guī)范過高估計了鋼橋焊接細(xì)節(jié)的疲勞壽命。因此，本方法能夠準(zhǔn)確計算焊接鋼橋的疲勞壽命，適用范圍廣；
(2)本方法簡捷方便，實施起來具有很好的可操作性，方法所包含的各個公式均為顯性表達(dá)公式，不需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，實施起來更加簡捷方便，可得到廣泛推廣與應(yīng)用。
因此，本發(fā)明提供的一種焊接鋼橋結(jié)構(gòu)的疲勞壽命計算方法，能夠準(zhǔn)確考慮平均應(yīng)力效應(yīng)對焊接鋼橋疲勞壽命的影響，克服了現(xiàn)有鋼橋疲勞設(shè)計規(guī)范對疲勞壽命估計過高的弊端。
附圖說明
所包括的附圖用來提供對本申請實施例的進(jìn)一步的理解，其構(gòu)成了說明書的一部分，用于例示本申請的實施方式，并與文字描述一起來闡釋本申請的原理。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。在附圖中：
圖1為本申請實施方式提供的一種焊接鋼橋結(jié)構(gòu)疲勞壽命計算方法的流程圖；
圖2為本發(fā)明實施例中鋼材在對稱循環(huán)下的全空間s-n曲線模型；
圖3為本發(fā)明實施例中考慮焊接殘余應(yīng)力與車輛荷載應(yīng)力的耦合效應(yīng)，所計算得到焊接細(xì)節(jié)的真實應(yīng)力時程曲線。
具體實施方式
請參閱圖1至圖3，本實施例的一種焊接鋼橋結(jié)構(gòu)的疲勞壽命計算方法，該方法包括如下步驟：
s1：建立考慮平均應(yīng)力修正的鋼材疲勞抗力的全空間s-n曲線模型；
s2：考慮焊接殘余應(yīng)力和車輛荷載應(yīng)力的耦合效應(yīng)，計算鋼橋焊接細(xì)節(jié)的真實應(yīng)力時程；
s3：利用雨流計數(shù)法對所述真實應(yīng)力時程進(jìn)行處理，并基于處理結(jié)果計算應(yīng)力幅、平均應(yīng)力和單次通車下的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；
s4：利用建立的所述考慮平均應(yīng)力修正的全空間s-n曲線模型，計算與所述應(yīng)力幅、平均應(yīng)力相對應(yīng)的總應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；
s5：基于所述單次通車下的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)以及總應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，計算鋼橋焊接細(xì)節(jié)的疲勞壽命。
在本實施方式中，步驟s1可以具體包括以下幾個子步驟：
s11：建立對稱循環(huán)下鋼材的全空間s-n曲線模型的基本公式：
σ-1＝a(n+b)b+c(1)
式中，σ-1為對稱循環(huán)下的應(yīng)力幅，n為所述應(yīng)力幅對應(yīng)的疲勞壽命，參數(shù)a,c,b參見式(2)，參數(shù)b與材料有關(guān)，對于鋼材，參數(shù)b取-0.2。
其中，
σk＝0.5σu(5)
式中，σu為材料的極限拉伸強(qiáng)度，hv為材料硬度。1,σu分別為所述曲線模型的起始點對應(yīng)的疲勞壽命和應(yīng)力幅；nk,σk分別為所述曲線模型的第二個拐點對應(yīng)的疲勞壽命和應(yīng)力幅；ngcf,σgcf分別為所述曲線模型的終止點對應(yīng)的疲勞壽命和應(yīng)力幅。
s12：將參數(shù)σu,hv代入(4)和(5)式，求得nk,σk。
s13：取ngcf＝1010，代入(3)式，求得σgcf；
s14：將σu,b,σk,nk,σgcf,ngcf代入(2)式，可求得參數(shù)a,c,b。
s15：goodman方程如式(6)所示：
(σ/σ-1)+(σm/σs)＝1(6)
式中，σs為材料屈服強(qiáng)度；σ-1是對稱循環(huán)下的應(yīng)力幅；σ和σm是任意循環(huán)下的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力。
s16：由式(6)解出σ-1，如式(7)所示：
s17：將(7)式代入(1)式，即得考慮平均應(yīng)力σm修正的全空間s-n曲線模型，如式(8)：
在本實施方式中，步驟s2可以包括：根據(jù)鋼橋結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙，首先建立包含焊接細(xì)節(jié)的全橋有限元模型，進(jìn)而采用生死單元技術(shù)和熱-結(jié)構(gòu)耦合方法進(jìn)行焊接細(xì)節(jié)的焊接過程模擬，焊接過程模擬完成后，繼續(xù)施加車輛荷載，從而考慮了焊接殘余應(yīng)力和車輛荷載應(yīng)力的耦合效應(yīng)，得到焊接細(xì)節(jié)的真實應(yīng)力時程σt。
在本實施方式中，步驟s3可以具體包括：利用雨流計數(shù)法對所述真實應(yīng)力時程σt進(jìn)行處理，并基于處理結(jié)果計算應(yīng)力幅σi、平均應(yīng)力σmi和單次通車下的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)ni。
在本實施方式中，步驟s4具體包括：利用建立的所述考慮平均應(yīng)力修正的全空間s-n曲線模型，將求得的所述應(yīng)力幅σi和平均應(yīng)力σmi代入公式(8)，求得與所述應(yīng)力幅、平均應(yīng)力相對應(yīng)的總應(yīng)力循環(huán)次數(shù)ni。
在本實施方式中，步驟s5具體包括：基于所述單次通車下的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)ni以及總應(yīng)力循環(huán)次數(shù)ni，按公式(9)計算鋼橋焊接細(xì)節(jié)的疲勞壽命t。每年車流量取為m次/年。
以江陰長江大橋的鋼橋面板頂板-縱肋焊接細(xì)節(jié)的疲勞壽命計算為例，說明本發(fā)明的具體實施過程：
(1)q345鋼的材料參數(shù)σu＝518mpa、hv＝142kgf/mm2代入式(4)～(5)，求得σk＝259mpa,nk＝36192；取ngcf＝1010，代入(3)式，求得σgcf＝179mpa；取b＝-0.2，將σu,b,σk,nk,σgcf,ngcf代入式(2)，求得參數(shù)a＝712mpa,c＝179mpa,b＝41。將參數(shù)a,c,b代入方程(1)，得對稱循環(huán)下q345鋼材的全空間s-n曲線，如圖2所示。將a,c,b代入式(8)，即得考慮平均應(yīng)力修正的全空間s-n曲線，如式(10)所示。
(2)根據(jù)江陰長江大橋的鋼橋結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙，采用ansys軟件(一種通用有限元分析軟件)首先建立包含焊接細(xì)節(jié)的全橋有限元模型，進(jìn)而采用生死單元技術(shù)和熱-結(jié)構(gòu)耦合方法進(jìn)行焊接細(xì)節(jié)的焊接過程模擬，焊接過程模擬完成后，繼續(xù)施加車輛荷載(本例中計算超重車作用下的疲勞壽命，超重車的軸重取為80/240/240/220/220/220)，從而考慮了焊接殘余應(yīng)力和車輛荷載應(yīng)力的耦合效應(yīng)，得到焊接細(xì)節(jié)的真實應(yīng)力時程σt，如圖3所示。需要指出，本方法不是分別計算焊接殘余應(yīng)力和車載作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力時程然后簡單相加，而是在有限元模型上先計算焊接殘余應(yīng)力，然后繼續(xù)施加車輛荷載，計算焊接殘余應(yīng)力和車輛荷載應(yīng)力的耦合應(yīng)力。因此，本方法能夠真正考慮焊接殘余應(yīng)力和車輛荷載應(yīng)力的耦合效應(yīng)，從而得到焊接細(xì)節(jié)的真實應(yīng)力時程σt。
(3)采用雨流計數(shù)法對結(jié)構(gòu)真實應(yīng)力時程σt進(jìn)行處理，得到應(yīng)力幅σi、平均應(yīng)力σmi和單次通車下的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)ni。σi，σmi和ni數(shù)值見表1。
表1超重車下σi，σmi，ni和ni數(shù)值計算結(jié)果列表
(4)利用建立的所述考慮平均應(yīng)力修正的全空間s-n曲線模型，將求得的所述應(yīng)力幅σi和平均應(yīng)力σmi代入公式(10)，求得與所述應(yīng)力幅、平均應(yīng)力相對應(yīng)的總應(yīng)力循環(huán)次數(shù)ni，其數(shù)值見表1。
(5)基于所述單次通車下的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)ni以及總應(yīng)力循環(huán)次數(shù)ni，取車流量m為2550次/年(江陰長江大橋的年平均值)，按公式(9)計算焊接細(xì)節(jié)的疲勞壽命t。采用本方法計算得到正交異性鋼橋面板頂板-縱肋焊接細(xì)節(jié)在超重車荷載下的疲勞壽命僅為4.41年，而采用歐洲eurocode3規(guī)范計算在超重車荷載下的疲勞壽命為1845年。
由上可見，本方法準(zhǔn)確考慮了平均應(yīng)力效應(yīng)對焊接鋼橋結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響，而現(xiàn)有鋼橋疲勞設(shè)計規(guī)范忽略了平均應(yīng)力的影響，導(dǎo)致了現(xiàn)有鋼橋疲勞設(shè)計規(guī)范過高估計了鋼橋焊接細(xì)節(jié)的疲勞壽命。